專利名稱：一種超低功耗低噪聲放大器結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻集成電路領(lǐng)域，具體為一種超低功耗低噪聲放大器結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)電路。
背景技術(shù)：
快速增長的無線通信市場使得無線通信技術(shù)向著低成本、低功耗、高集成度的方 向發(fā)展。功耗問題尤為突出，在進(jìn)入0. UiinKgOnm技術(shù)節(jié)點(diǎn)后，單位面積上的功耗密度急 劇上升。因此，功耗已經(jīng)成為集成電路中繼傳統(tǒng)兩個(gè)要素——速度、面積后的又一個(gè)關(guān)鍵要素。在無線應(yīng)用中，便攜式設(shè)備占據(jù)著市場的很大份額。便攜式設(shè)備的特殊性對集成 電路的功耗提出了新的要求，尤其是在醫(yī)學(xué)，自動控制應(yīng)用領(lǐng)域，電池使用壽命成為評估產(chǎn) 品性能的一個(gè)重要指標(biāo)。必須在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到產(chǎn)品的功耗問題，進(jìn)行從系統(tǒng)架構(gòu)到底層 電路設(shè)計(jì)的一系列優(yōu)化以降低電路功耗，延長使用壽命。低噪聲放大器(LNA)是無線通信系統(tǒng)射頻接收機(jī)前端的關(guān)鍵模塊，在接收并放大 信號的過程中起著關(guān)鍵性的作用，其增益、噪聲、線性度等都將直接影響著整個(gè)接收機(jī)的性 能。因此，在低功耗應(yīng)用下的LNA應(yīng)具備的性能是在低功耗的前提下能提供足夠高的增 益，以克服后繼級的噪聲干擾；優(yōu)良的噪聲性能以減小對系統(tǒng)動態(tài)范圍的影響；較高的反 向隔離度，防止信號的泄漏并增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；良好的線性度以抑制干擾和防止靈敏度 下降；良好的輸入匹配以利于信號的有效傳輸。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一股采用折衷方案，綜合考 慮各項(xiàng)因素，兼顧各項(xiàng)指標(biāo)的均衡。傳統(tǒng)的單端輸入低噪聲放大電路通常采用共源或者共源共柵結(jié)構(gòu)來獲得較高的 增益。共源放大器輸入阻抗匹配容易實(shí)現(xiàn)，具有較好的反相隔離度和穩(wěn)定性，但噪聲系數(shù)較 大；共源共柵放大器能夠提供一個(gè)較高的增益和反相(反相應(yīng)為反向)隔離度，但其增益和 噪聲系數(shù)受到共源級的漏級襯底寄生效應(yīng)的嚴(yán)重影響。由于傳統(tǒng)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)必須 在功耗，噪聲，增益方面做權(quán)衡，而這種權(quán)衡的空間由于結(jié)構(gòu)限制而相對較小，因此，根據(jù)功 耗約束噪聲優(yōu)化規(guī)則，傳統(tǒng)低噪聲放大器的功耗不得不設(shè)定在較高的范圍內(nèi)以滿足低噪聲 的需要，因此有必要提出新的結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步優(yōu)化電路性能。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提供的是一種放大器電流復(fù)用結(jié)構(gòu)及電路實(shí)現(xiàn)方法，本發(fā) 明適用于超低功耗無線通訊領(lǐng)域。針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)低噪聲放大器因結(jié)構(gòu)限制無法優(yōu)化放大器性能的問題，本方法采用 新的電流復(fù)用基礎(chǔ)上的上下級聯(lián)的兩級放大器結(jié)構(gòu)。由于采用了電流復(fù)用方法，使兩級共 用一個(gè)電流，因此在相同的功耗下能夠提供更大的增益，而增益的提高同時(shí)意味著噪聲的 減小。在單級電路結(jié)構(gòu)中則采取簡單共源共柵結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高增益。本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，詳細(xì)描述如下
1.使用上下級聯(lián)的兩級共源放大結(jié)構(gòu)；在兩級共源放大結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)使用電容。2.第一級共源放大結(jié)構(gòu)由NM0S管Ml和PM0S管M2構(gòu)成，第二級共源放大結(jié)構(gòu)由 NM0S管M3和PM0S管M4構(gòu)成，NM0S管Ml的源端接芯片封裝地端，使用PM0S管M4負(fù)載。3.電路結(jié)構(gòu)的輸入端使用片外電感，片外電感的值為20nH 300nH。4.用邦定線作為NM0S管Ml的源簡并電感；邦定到片外電感的邦定線長度為 10um ；邦定到地的邦定線長度為1 y m 8 ii m。5.兩級共源放大結(jié)構(gòu)的兩個(gè)NM0S管M1、M3分別采用自偏置結(jié)構(gòu)。6.在兩級共源放大結(jié)構(gòu)之間增加一個(gè)接地的電容作為交流虛地點(diǎn)。7.連接兩級共源放大結(jié)構(gòu)的電容的值為200fF 2pF。本發(fā)明還提供一種制備該電路結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟1.在PCB上焊接NM0S管M1、M3，PM0S管M2、M4，其中Ml和M2組成第一級共源放 大結(jié)構(gòu)，M3和M4組成第二級共源放大結(jié)構(gòu)；2.在兩級共源放大結(jié)構(gòu)之間放置交流耦合電容C2 ；3.在整個(gè)版圖外緣放置一圈G-D-G-D-G保護(hù)環(huán)；4.封裝邦線；5.焊接片外電感。6.在兩級共源放大結(jié)構(gòu)之間還可以放置一個(gè)接地的電容。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)電路結(jié)構(gòu)簡單，本發(fā)明基本單元為傳統(tǒng)的共源結(jié)構(gòu)，上下級聯(lián)的兩層結(jié)構(gòu)完全 一樣，電路原理清晰明了。(2)如圖1所示，在上下兩級的連接點(diǎn)P處使用了大電容以減小上下兩級電路之間 的干擾。(3)輸入端使用片外電感，Q值可以很高，提高輸入匹配度和穩(wěn)定性，有效降低放 大器的噪聲，此外在一級單元電路中使用PM0S負(fù)載，省掉了放大器負(fù)載電感，因此大大節(jié) 省了芯片面積。(4)功耗低，由于采用上下級聯(lián)的兩級電流復(fù)用結(jié)構(gòu)，兩級共用電流，因此可以在 較低的功耗下實(shí)現(xiàn)更大的增益。(5)下級增益減小了上級產(chǎn)生的噪聲，因此總的噪聲可以近似等效成為一級的噪 聲，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)放大器性能，降低功耗的目的。綜上所述，使用新型結(jié)構(gòu)的相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器，在性能方面更為優(yōu) 越，噪聲約為2dB，增益在30dB左右。


圖1是超低功耗低噪聲放大器的電路結(jié)構(gòu)圖；圖2是根據(jù)實(shí)際工藝給出的標(biāo)準(zhǔn)邦定線模型；圖3是根據(jù)實(shí)際工藝給出的標(biāo)準(zhǔn)邦定到地邦定線模型。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述的超低功耗低噪聲放大器結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施方案如下
如圖1所示為本發(fā)明的超低功耗低噪聲放大器的電路總體結(jié)構(gòu)圖。主體放大電路結(jié)構(gòu)為創(chuàng)新性的上下級聯(lián)的電流復(fù)用結(jié)構(gòu)，單級電路使用簡單共源 結(jié)構(gòu)。NM0S管Ml和PM0S管M2構(gòu)成了底層的第一級放大結(jié)構(gòu)，而NM0S管M3和PM0S管M4 構(gòu)成了頂層的第二級放大結(jié)構(gòu)，將上下兩層級聯(lián)在一起，這樣上下兩級可以第二級可以使 用第一級的偏置電流驅(qū)動以節(jié)省功耗。并通過交流耦合電容C2把第一級輸出的信號傳遞 給第二級的輸入端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級聯(lián)。其中圖1中的P點(diǎn)為交流虛地點(diǎn)以隔離上下級的級間 干擾，從而實(shí)現(xiàn)了電流復(fù)用，減小了級聯(lián)系統(tǒng)的寄生效應(yīng)，最大限度地利用了 LNA的電流和 功耗。每級LNA是在經(jīng)典電感源簡并結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上創(chuàng)新提出的。經(jīng)典源簡并結(jié)構(gòu)LNA能夠 實(shí)現(xiàn)非常小的噪聲系數(shù)NF并且具有相對較高的增益，因此在目前的射頻收發(fā)機(jī)前端中得 到了廣泛的應(yīng)用。然而，經(jīng)典源簡并結(jié)構(gòu)LNA有其自身固有的問題，通常來說，它需要通過 放大管柵端電感、源端電感與跨接在柵源間的電容形成輸入匹配，并通過放大管漏端電感 形成等效高輸出電阻從而提高LNA增益，但是大量對電感的依賴和使用(3個(gè))嚴(yán)重增加了 LNA的面積、提高了電路成本，這對于小尺寸、低成本的芯片要求是不能接受的。在圖1中，由于放大管Ml的源端接芯片封裝地端，因此本設(shè)計(jì)利用邦定線 (Bonding Wire)作為源簡并電感。在最后的芯片封裝中將采用QFN封裝形式，在目前的 QFN封裝工藝中，邦定線的線長和彎曲度已經(jīng)能夠得到很精確的控制了，因此可以利用邦定 到地(DownBonding)的邦定線形成的電感L2來取代片上源簡并電感，在實(shí)際的封裝中，這 種邦定線電感L2的值可以按照要求在0. 8nH 1. 5nH間精確取值，其電感值誤差可以控制 在士0. 05nH之間。圖2和圖3是根據(jù)實(shí)際封裝工藝、結(jié)合工作頻率給出的標(biāo)準(zhǔn)邦定線和邦 定到地線的模型。在圖1所示的LNA電路中，邦定到片外電感的邦定線長度可以取1 P m到 10 ii m之間的值，但理想值大概在3 ii m左右。邦定到地線長度取1 y m到8 ii m間的值，理想 值在1. 5um左右。此外，為了在實(shí)現(xiàn)小面積芯片的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益性能，設(shè)計(jì)中并不采用經(jīng)典源簡 并結(jié)構(gòu)LNA放大管漏端的電感，而是用工作在飽和區(qū)的PM0S替代，通過PM0S漏端看進(jìn)去的 高電阻等效實(shí)現(xiàn)LNA的高增益。這樣不僅節(jié)省了面積，而且還使每一層級的LNA具備了足 夠的增益。整個(gè)LNA的偏置電流通過鏡像電流源把從標(biāo)準(zhǔn)電流源產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)電流(5 u A)鏡 像給負(fù)載PM0S管M4，從而提供整個(gè)LNA的電流偏置。因此，整個(gè)LNA只有一個(gè)鏡像標(biāo)準(zhǔn)電 流給輸入端，而LNA上下兩層的放大管Ml、M3分別采用自偏置的結(jié)構(gòu)以減少由于電流鏡失 配帶來的電路不匹配問題。可以推導(dǎo)該層級LNA的輸入匹配條件和噪聲系數(shù)公式，如下所示 <formula>formula see original document page 5</formula> 其中<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula> 對于第一級，噪聲因子為
<formula>formula see original document page 6</formula>
(未計(jì)入負(fù)載管噪聲)對于相同兩級級聯(lián)的整個(gè)LNA<formula>formula see original document page 6</formula>其中LI代表LNA放大管柵端總電感。從式1中可以看到，為了實(shí)現(xiàn)LNA輸入端的 50 Q匹配，需要聯(lián)合設(shè)計(jì)柵端電感L1、源簡并電感L2和跨接電容C1的值?？梢钥吹皆撛?輸入匹配情況下，上述超低功耗LNA能夠?qū)崿F(xiàn)非常小的噪聲系數(shù)如式(4)所示。由于電路的源簡并電感采用了邦定到地的電感，可以結(jié)合該LNA在接收機(jī)中的應(yīng) 用頻率(417MHz)得到柵端電感L1的值，范圍在lOnH至500nH，最優(yōu)值約為103nH左右。因 此在這里可以通過片外電感來實(shí)現(xiàn)柵端大電感，實(shí)際采用的片外電感為Murata公司制造 的電感，可取值范圍在20nH-300nH，最優(yōu)值是采用型號為LQW18ANR100，電感值為lOOnH(柵 端邦定線能提供3nH的電感)。在圖1給出的實(shí)例中，C1為100-500fF，最優(yōu)值為250fF。C。。uple的值可以取到200fF 至2pF，最優(yōu)值為750fF左右。C2取值范圍為200fF至2pF，最優(yōu)值為950fF。C3取值范圍 為0. l-10pF，其中最優(yōu)值為4. . 2pF。電阻方面，R1，R2值均可取在1KQ到100KQ之間。理 想值為15KQ到20KQ o 為更好地穩(wěn)定電路直流工作點(diǎn)，可以在M0S管M3的漏極和襯底之間并聯(lián)一個(gè)阻值 在2到30KQ的電阻，理想值為12KQ。同樣地也可以對Ml這樣做。另外，還可以在M1，M3 的襯底和電源地之間加一個(gè)隔離電容以提高隔離度，取值在0. lpF到2pF之間，理想值為 900fFo在該電路的制備過程中，為減小級間干擾，在版圖上將Ml和M3布局得盡量遠(yuǎn)。然 后，將面積大的電容盡量緊湊排布，以節(jié)省面積。并降低寄生效應(yīng)。之后將電阻等對寄生不 敏感的元件就近放置，并在版圖留空較大的地方放置退耦合電容。最后，在整個(gè)版圖外緣放 置一圈G-D-G-D-G保護(hù)環(huán)以屏蔽外部噪聲對電路的干擾。在芯片流片劃片完成后，封裝邦 線時(shí)分別留出丨；?。。。。『?；？^?。?！長度的邦定線。最后，在PCB板上焊接時(shí)，焊上片外電感。雖然通過實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明超低功耗低噪聲放大器結(jié)構(gòu)及其制備方法，但 是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于實(shí)施例中所公開的內(nèi)容和范圍，在不脫離 本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和精神范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種變換、修改和替換。
權(quán)利要求
一種超低功耗低噪聲放大器的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于使用上下級聯(lián)的兩級共源放大結(jié)構(gòu)，在兩級共源放大結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)使用電容。
2.如權(quán)利要求1所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于第一級共源放大結(jié)構(gòu)由NM0S管Ml和 PM0S管M2構(gòu)成，第二級共源放大結(jié)構(gòu)由NM0S管M3和PM0S管M4構(gòu)成，NM0S管Ml的源端 接芯片封裝地端，使用PM0S管M4負(fù)載。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于電路結(jié)構(gòu)的輸入端使用片外電感， 片外電感的值為20nH 300nH。
4.如權(quán)利要求3所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于用邦定線作為NM0S管Ml的源簡并 電感；邦定到片外電感的邦定線長度為1 P m 10 y m ；邦定到地的邦定線長度為1 P m 8 li m。
5.如權(quán)利要求2所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于兩級共源放大結(jié)構(gòu)的兩個(gè)NM0S管Ml、 M3分別采用自偏置結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于在兩級共源放大結(jié)構(gòu)之間增加一 個(gè)接地的電容作為交流虛地點(diǎn)。
7.如權(quán)利要求1所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于連接兩級共源放大結(jié)構(gòu)的電容的值為 200fF 2pF。
8.一種制備如權(quán)利要求1所述電路的方法，包括以下步驟1)在PCB上焊接NM0S管M1、M3，PM0S管M2、M4，其中Ml和M2組成第一級共源放大結(jié) 構(gòu)，M3和M4組成第二級共源放大結(jié)構(gòu)；2)在兩級共源放大結(jié)構(gòu)之間放置交流耦合電容C2；3)在整個(gè)版圖外緣放置一圈G-D-G-D-G保護(hù)環(huán)；4)封裝邦線；5)焊接片外電感。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于在兩級共源放大結(jié)構(gòu)之間放置一個(gè)接地的 電容。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于交流耦合電容的值為200fF 2pF。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超低功耗低噪聲放大器的電路設(shè)計(jì)，屬于射頻集成電路領(lǐng)域。本發(fā)明采用電流復(fù)用的方法，使用上下級聯(lián)的兩層共源放大結(jié)構(gòu)，在兩層共源放大結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)使用大電容，輸入端使用高Q值的片外電感，在一級單元電路中使用PMOS負(fù)載取代傳統(tǒng)的放大器負(fù)載電感。使用本發(fā)明的放大器電路結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器功耗更低，在性能方面更為優(yōu)越，其噪聲約為2dB，增益在30dB左右。
文檔編號H03F1/26GK101820251SQ201010173289
公開日2010年9月1日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者劉軍華, 廖懷林, 李東畔, 李琛, 黃如 申請人:北京大學(xué)