專利名稱：一種帶有片上有源Balun的差分CMOS多模低噪聲放大器的制作方法
技術領域：
本發明為射頻集成電路技術領域，具體涉及一種高增益、低噪聲和良好輸入匹配 的、帶有片上有源Balim的差分低噪聲放大器的設計，特別應用于0. 5^10. 6GHz的多模接收 機前端。適用于包括GSM、WCDMA, Bluetooth、WLAN、UffB等多模接收機系統中。
背景技術：
多模式射頻接收機系統是當前學術界和工業界的研究熱點。通過單一的接收機鏈 路實現多種通信模式的兼容，可以同時降低整機的功耗以及芯片的面積。低噪聲放大器是接收機前端中最關鍵的模塊之一，其作用就是將天線接收到的微 弱信號放大并抑制接收機后級電路的噪聲。這要求低噪聲放大器必須提供足夠的增益，同 時以保證后級噪聲不會對系統性能造成過大的影響。低噪聲放大器的增益往往與功耗成正 比，而對于射頻接收機系統而言，低功耗是其基本要求，因此在保證足夠增益的情況下如何 減小功耗是應用于射頻接收機系統中LNA設計的重要難題。另外，與傳統的窄帶LNA不同， 同時滿足多種通信模式的覆蓋0. 5^10. 6GHz的超級寬帶的LNA的帶寬高達十幾個GHz，在整 個工作頻段內保持良好的輸入匹配、增益平坦度及低噪聲也是很難達到的性能要求。綜上分析，針對CMOS寬帶低噪聲放大器(特別是應用于超級寬帶多模式射頻接收 機系統)的設計，如何實現增益、功耗、面積(較少電感)、寬帶輸入匹配、線性度及穩定性等 性能的優化提高，具有非常重要的意義。
發明內容
本發明目的是提供一種帶有片上有源Balim的差分CMOS低噪聲放大器電路，以克 服現有技術存在的不足，提供一種可以覆蓋0. 5^10. 6GHz超級寬頻帶范圍內的，兼容GSM、 WCDMA, Bluetooth、WLAN、UffB等多種通信模式的LNA，該結構LNA可應用于接收機前端中， 由于其自帶的片上Balim具有單端輸入差分輸出功能，因此減少了對片外器件的需求，提 高電路工作室的可靠性，具有良好的寬頻帶輸入匹配、高增益、低功耗，良好的噪聲系數，同 時只占用較小的芯片面積。本發明提出的差分CMOS低噪聲放大器，如圖1中所示，由匹配級、放大級、反饋級 和負載級、Balim輸出級五個部分組成，其中
匹配級1，用以接收輸入信號，使信號源與輸入阻抗良好匹配；
放大級2，連接于所述匹配級與輸出端之間，完成所述匹配級輸出電壓信號的跨導放
大；
負載級4，連接于電源與所述輸出端之間，用以輸出放大信號。為了減小芯片面積，負載 級只使用電阻，把電流重新轉換成電壓信號；
反饋級3，連接于所述匹配級與所述輸出端之間，同時與匹配級組成匹配網絡，與放大 級一起獲得一定的輸入阻抗；同時與負載級、放大級一起保證增益的穩定與增益的帶寬。Balim輸出級5，與放大級輸出端相連，用以將第一級放大器輸出的單端信號轉換成差分信號，同時不影響第一級放大器的性能。進一步地，如圖2所示，所述匹配網絡是由所述匹配級與所述反饋級共同作用組 成的；其中所述匹配級為一 2階LC帶通濾波網絡，實現寬帶輸入匹配，其由接信號輸入端的 芯片封裝鍵合線的等效電感ESD PAD的等效電容構成匹配級輸入，并與芯片 內第一隔直電容G、反饋電感Z通過米勒效應等效到輸入端的等效電感及所述放大級等 效輸入電容Gv3順次相連。進一步地，如圖3所示，所述放大級包含以共柵共漏相連接的PMOS管叢與NMOS 管軋對管，是源極放大器，其柵極均與所述匹配級的所述反饋回路電感相連，其中所述NMOS 管M1的源極直接接地。還包含NMOS管軋，該NMOS管M3和所述PMOS管叢與NMOS管Jli1 對管的漏極相連接，作為共柵極電流跟隨器，其輸入阻抗約l/gm，它一方面可以減小輸入對 管柵漏電容(米勒等效電容)對電路的影響，另一方面，所述NMOS管軋可以隔離輸入和輸出 級，保證電路有很好的隔離度；其柵極與偏置直流電壓相連接，其漏極與所述輸出端\ut相 連。反饋回路電感通過類似于米勒效應的作用，在輸入級電流復用管的柵極和電流跟隨器 NMOS管M3的漏極兩處分別產生一個等效電感分量；
進一步地，如圖8所示，所述反饋級包括NMOS管叢，其柵極與所述輸出端Nout相連， 漏極接電源，源極通過NMOS管M5形成的電流源接地；反饋電阻RF通過隔直電容與NMOS管 M4相連，反饋電感L 一端與反饋電阻相連，另一端與輸入NMOS管M1和PMOS管M2相連。該 反饋級在使用一個反饋電阻并只增加一個反饋電感的情況下，同時滿足寬帶的匹配的帶寬 要求。進一步地，如圖8所示，在由匹配級、放大級、反饋級和負載級組成的第一級放大 器和由Balim輸出級組成的第二級放大器之間增加電感Lb，用來諧振掉部分由第二級放大 器柵極帶來的寄生電容，已達到拓展帶寬的目的。 進一步地，如圖7所示，所述Balun輸出級中，NMOS管M6和第二級負載電阻組成 共源級放大器，其輸出信號與第一級放大器單端輸出信號成180°反相；NMOS管M7和NMOS 管M8組成源跟隨器，其輸出信號與第一級放大器單端輸出信號保持同相。實現單端輸入差 分輸出的功能。由于Balim輸出級都是柵極輸入，因此不會影響第一級放大器的性能。在寬帶放大器的設計中，在負載極通常習慣使用電感來諧振該點的寄生電容，因 為負載端的寄生電容會使高頻端增益嚴重衰減。本電路中，所述負載級，其每一個支路只使 用一個電阻，這主要出于兩方面的考慮首先使用負載電感會占用較大的芯片面積；另外， 由于寄生電容引起的高頻增益衰減可以通過所述反饋回路電感進行補償，相對負載使用的 電感，反饋電感Z要小的多，減小了芯片面積。所述電阻其一端接電源VDD;另一端接所述 輸出端\ut，與所述NMOS管為的漏極相連。本發明所做的突出改進主要體現在如下三方面
第一，針對低功耗和高增益的應用進行了改進。如圖4為傳統的單端共源共柵電阻負 反饋放大器的基本結構，電路的增益取決于的跨導&和負載阻抗&，為了獲得高增益，要 么增大跨導&，意味著電路較大的功耗；要么增大負載阻抗兄，意味著帶寬的降低。同時，這 兩種方式都不可避免地增大負載電阻&上的直流壓降，因而限制了單級放大電路的增益， 也限制了電路工作于低電源電壓下。因此可以如圖5所示，可以在##的漏極注入一定的直 流電流4，降低負載電阻上的直流壓降而不影響電路的小信號增益。為了進一步利用Ibi,
4利用電流復用技術，如圖6所示，可以在該直流通路上加入PMOS管秦，與輸入NMOS管##一 樣，作為共源級放大，提供一定的跨導，在不增大電流的情況下，提高了電路的增益。另外， PMOS管分流了負載電阻的直流電流，提高了輸出端的直流電壓余度。第二，使用反饋回路電感L的米勒效應，等效到輸入輸出的電感分量，實現對高頻 增益進行拓展，同時改善因高頻增益下降而惡化的高頻輸入匹配。相比其他寬頻帶的LNA， 本發明只是用反饋回路一處電感既可以很好的同步實現寬頻帶的輸入匹配和增益帶寬擴 展，實現高性能的同時，減小了芯片面積。第三，由于多模接收機前端覆蓋的頻率范圍從500MHz到10. 6GHz，如此寬的范圍 對于片外Balim的要求是非常高的，比較難以實現，因此本發明將單端輸入的LNA與新型的 片上有源Balim結合設計，實現了寬頻帶的片上單端輸入差分輸出功能，減少對片外元件 的需求，保證電路的穩定工作。
通過以下對本發明的實施例并結合其附圖的描述，可以進一步理解本發明的目 的、具體結構特征和優點。其中，附圖為
圖1 本發明LNA的結構框圖。圖2 本發明LNA等效匹配網絡示意圖。圖3 本發明LNA放大級基本電路原理圖。圖4 傳統的單端共源共柵電阻負反饋放大器的基本結構示意圖。圖5 本發明漏極注入直流電流原理圖。圖6 本發明突出改進之反饋回路電感示意圖。圖7 本發明突出改進之有源Balim結構示意圖。圖8 本發明具體實施例電路圖。圖9 本發明具體實施例電路輸入匹配Sll仿真結果圖。圖10 本發明具體實施例電路輸入匹配S21仿真結果圖。圖11 本發明具體實施例噪聲系數NF仿真結果圖。圖12 本發明具體實施例差分輸出端增益失配仿真結果圖。圖13 本發明具體實施例差分輸出端相位失配仿真結果圖。圖14 本發明具體實施例2GHz頻段的線性度仿真結果圖。圖中標號1為匹配級，2為放大級，3為反饋級，4為負載級，5為Balim輸出級。
具體實施例方式下面給出一個具體的實施例
如圖8所示，該實例電路為帶有片上有源Balim的差分CMOS LNA在多模射頻接收機中 的應用，其工作頻段為0. 5^10. 6GHz，兼容GSM、WCDMA、Bluetooth、WLAN、UWB等多種標準。
Wl==5*8/0.13um匪2==12/0.13um匪3==30/0.13um匪4==50/0.13umNM5=16/0,.3umNM6=4/0.13umNM7=15/0,.13umNM8=22/0,.13umRl=QORf=200RL2=130L=L 8nHLr=3. 8nH
電路工作在1. 2V電壓，消耗電流11. 8mA。電路性能輸入匹配Sll ( -IOdB,噪聲系 數NF為3. 2 4. 3dB,增益S21為17. 3 20. 5dB,覆蓋頻帶0. 5 10. 6GHz，2GHz頻段的線性度 為-2dBm，可見，電路具有良好的寬帶性能。Balim輸出級的差分輸出端之間的增益失配在 1.6dB以內，相位失配在2. 3°以內，完全可以滿足作為Balim的性能要求。
最后應說明的是，以上僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域的普通技 術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術 方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍中。
權利要求
一種帶有片上有源Balun的差分CMOS多模低噪聲放大器，其特征在于，由下述五部分組成匹配級，用以接收輸入信號；放大級，連接于所述匹配級與輸出端之間，用以放大所述匹配級的輸出信號；負載級，連接于電源與所述輸出端之間，用以輸出放大信號；反饋級，連接于所述匹配級與所述輸出端之間，該反饋級依據所述放大級輸出的放大信號產生一反饋信號，并將所述反饋信號反饋至所述匹配級；Balun輸出級，連接于放大級的輸出端，分別由共源極放大器和源跟隨器組成差分輸出放大級。
2.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述匹配級為一2階LC帶通濾波 網絡，由接信號輸入端的芯片封裝鍵合線的等效電感與接地的ESD PAD等效電容構成匹配 級輸入，并與芯片內第一隔直電容、來自于反饋回路電感米勒效應分量的并聯電感，及所述 放大級等效輸入電容順次連接。
3.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述放大級包含以共柵共漏相連接的PMOS管(M2 )與第一 NMOS管(M1),其柵極均與所述匹配級的所 述反饋回路串聯電感相連，其中所述第一 NMOS管(M1)源極接地或者接尾電流源，所述PMOS 管(M2)源極接1.2V電源；放大級還包含第二 NMOS管(M3),其源極和所述PMOS管(M2)與第一 NMOS管(M1)的漏極 相連接，作為共柵極電流跟隨器，其柵極與偏置直流電壓相連接并通過電容交流接地，其漏 極與所述輸出端相連。
4.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述反饋級飽含第三NMOS管 (M4),其柵極與所述輸出端Vwrt相連，漏極接電源，源極通過第四NMOS管(M5)形成的電流源 接地；反饋電阻RF通過隔直電容與第三NMOS管(M4)相連，反饋電感L 一端與反饋電阻相 連，另一端與輸入第一 NMOS管(M1)和PMOS管(M2)相連。
5.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述負載級，使用一個負載電阻， 所述負載電阻的一端接電源，另一端接所述輸出端，并與所述第二NMOS管(M3)的漏極相連。
6.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，由前述匹配級、放大級、反饋級、負 載級組成單端第一級LNA，由Balim輸出級組成第二級LNA，將經過前述放大級的單端信號 轉換成差分信號。
7.如權利要求1或6所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述Balim輸出級，采用共源 極和源跟隨器組成差分輸出，由第五NMOS管(M6)和電阻I^2組成共源級放大器，第六、第七 NMOS管(M7、M8)組成源跟隨器，實現單端輸入差分輸出。
全文摘要
本發明屬于射頻集成電路技術領域，具體為一種帶有片上有源Balun的差分CMOS多模低噪聲放大器。該低噪聲放大器可用于0.5~10.6GHz的多模接收機前端中。它由匹配級、放大級、反饋級和負載級組成第一級放大器，有源片上Balun構成第二級放大器。其中，匹配級使用反饋電感調諧寬帶輸入阻抗；放大級使用電流復用的共源級NMOS管與PMOS管作為輸入端；輸入NMOS管柵極與電流跟隨器NMOS管漏極之間的NMOS管與電阻構成“電壓-電流”型負反饋通路；負載級使用電阻負載。第二級放大器的有源Balun分別使用共源和源跟隨器實現Balun的單轉雙功能。本發明結構簡單，占用芯片面積小，功耗低，帶寬覆蓋范圍大，增加電路可實用性。
文檔編號H03F3/45GK101924524SQ201010262100
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月25日 優先權日2010年8月25日
發明者任俊彥, 葉凡, 周鋒, 張楷晨, 李寧, 李巍, 許俊 申請人:復旦大學