專利名稱：一種基于電感補(bǔ)償?shù)纳漕l超寬帶低噪聲放大器的制作方法
一種基于電感補(bǔ)償?shù)纳漕l超寬帶低噪聲放大器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于射頻集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用于接收器的射頻前端，是一種適用于多種無線通信標(biāo)準(zhǔn)的超寬帶低噪聲放大器，適用于超寬帶接收機(jī)系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電路集成化已成為微電子行業(yè)人才共同研究的方向， 而射頻芯片在通信領(lǐng)域所占的地位無可替代。在射頻接收器中，低噪聲放大器一般作為接收器的第一級，其工作頻率往往很高，需要考慮波的反射特性；同時(shí)低噪聲放大器需要提供足夠的增益來克服后續(xù)電路帶來的噪聲，噪聲特性的好壞決定了接收器的靈敏度，說明低噪聲放大器必須能夠處理接近噪聲電平的很微弱的信號；此外低噪聲放大器要同時(shí)需要處理接近發(fā)送天線的很高電平的信號，保證接收大信號而不產(chǎn)生失真，因此線性度是低噪聲放大器的一項(xiàng)重要指標(biāo)，一個(gè)低噪聲放大器的性能的好壞對整個(gè)接收器的性能起著至關(guān)重要的作用。由于與天線相連接，因此低噪聲放大器的輸入信號源通常表現(xiàn)為一個(gè)特定的阻抗，例如50 Ω或75 Ω。低噪聲放大器在接收器的所起的作用決定了它的研究價(jià)值，寬帶低噪聲放大器性能的優(yōu)劣由帶寬、噪聲系數(shù)、反射系數(shù)、線性度、增益、功耗等多項(xiàng)指標(biāo)共同來衡量。
窄帶低噪聲放大器只能處理某一個(gè)頻段的射頻信號，在某些領(lǐng)域已不能滿足要求，例如軟件無線電領(lǐng)域，如果采用多個(gè)窄帶低噪聲放大器來實(shí)現(xiàn)，那么會(huì)占用很大的芯片面積，也使得電路復(fù)雜化，因此寬帶低噪聲放大器成為目前射頻集成電路研究的熱點(diǎn)。寬帶低噪聲放大器能夠處理多個(gè)頻段的射頻信號，從而節(jié)約了成本。
超寬帶技術(shù)自提出以來，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，超寬帶定義為帶寬的上限頻率 ffflax與下限頻率fmin的差除以中心頻率&的值K大于1 %,同時(shí)帶寬超過1. 5GHz,即滿足
K = f--fmm>\25(1)/°
ffflax-ffflin > 1. 5G(2)
而要想實(shí)現(xiàn)多種模式通信標(biāo)準(zhǔn)的接收器，就需要低噪聲放大器能夠處理多個(gè)頻段的射頻信號，同時(shí)保證在處理這些頻段的信號時(shí)具有較低的噪聲系數(shù)以及可以接收的線性度。
傳統(tǒng)的寬帶低噪聲放大器如圖1所示，該電路為有源反饋結(jié)構(gòu)寬帶低噪聲放大器，(以下器件NMOS晶體管用麗表示，器件PMOS晶體管用MP表示)，器件麗1、麗2構(gòu)成電路共源共柵放大級，RL為放大器的負(fù)載，器件Rf、MN4為低噪聲放大器提供了有源反饋用以實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配，Vbl為麗3提供偏置，這樣可以為MN4提供電流，MPl起到為負(fù)載電阻RL分流以減小其上面壓降的作用，但是這種結(jié)構(gòu)很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益和很寬的帶寬，原因在于分流晶體管MPl要流過比較大的電流，需要較大的器件尺寸，使得漏端到地的寄生電容很大。為此，本發(fā)明提供了一種新的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)超寬帶低噪聲放大器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了在射頻超寬帶范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)較高的增益，特提供一種基于電感補(bǔ)償?shù)?. 1-12GHZ的超寬帶低噪聲放大器，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，根據(jù)(1)式得知本發(fā)明的K值約為1. 967，遠(yuǎn)高于其他論文以及專利所設(shè)計(jì)的寬帶低噪聲放大器，同時(shí)得到了良好的寬帶輸入匹配、噪聲系數(shù)、線性度等性能，可應(yīng)用于超寬帶通信系統(tǒng)中。為了實(shí)現(xiàn)帶寬足夠大的超寬帶低噪聲放大器，本發(fā)明采用了新的技術(shù)方案，如圖2 所示本發(fā)明的超寬帶低噪聲放大器主要由輸入放大級、反饋級、匹配級、負(fù)載級、偏置級和輸出緩沖級電路共同組成輸入放大級由NMOS晶體管麗1、麗2以及PMOS晶體管MPl共同組成，用以實(shí)現(xiàn)對輸入信號的放大功能；反饋級由NMOS晶體管麗3、電阻Rf以及隔直電容C1、C2共同組成，連接在輸入放大級的輸出端和輸入端之間，用來在電路中實(shí)現(xiàn)反饋得到等效的輸入阻抗，從而可以使匹配級實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配；匹配級由帶有ESD保護(hù)的焊盤寄生電容CP、片內(nèi)電感Li、反饋器件麗3、Rf、Cl、C2 共同組成，這樣可以實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配，從而獲得良好的輸入反射系數(shù)(一般認(rèn)為反射系數(shù)小于-lOcffim即為可以接受的值)；負(fù)載級由電阻RL、片內(nèi)電感L2、電容CL組成，RL、L2起到為低噪聲放大器提供負(fù)載從而實(shí)現(xiàn)正常放大信號的作用，CL為模擬低噪聲放大器下一級(混頻器)所引入的電容；偏置級由電流源11、12，匪OS晶體管麗4、麗5、麗6、麗7，PMOS晶體管MP2，電阻 RU R2、R3共同組成，起到為低噪聲放大器提供偏置電流的作用，以使得低噪聲放大器各個(gè)通路可以正常工作；輸出緩沖級由NMOS晶體管MN8、電阻R4組成，可以將輸出直流電位調(diào)整至合適的值，也可以對輸出端口進(jìn)行阻抗匹配，便于低噪聲放大器流片后的單獨(dú)測試。輸入放大級與負(fù)載級實(shí)現(xiàn)對輸入信號Vin放大，輸入放大級輸出端連接反饋級、 負(fù)載級和輸出緩沖級，輸入放大級對信號進(jìn)行放大后經(jīng)MN2的漏端輸出，通過反饋級反饋至輸入放大級的輸入端，同時(shí)MN2的漏端輸出信號流入輸出緩沖級，輸出低噪聲放大器的輸出信號Vout，偏置級與輸入放大級、反饋級相連接，為輸入放大級和反饋級提供合適的偏置電流。本發(fā)明中，VDD、GND分別為低噪聲放大器提供電源1. 2V和OV的直流電位，在偏置級電路設(shè)計(jì)合理的情況下，通過CP、Ll、麗3、Rf、Cl、C2可實(shí)現(xiàn)良好的輸入匹配作用，因此輸入信號Vin可以進(jìn)入放大級電路，并經(jīng)過麗1、MP1、麗2進(jìn)行放大，從麗2的漏端輸出后進(jìn)入 MN8的柵極緩沖后從MN8的源極輸出信號為Vout，輸出信號Vout與輸入信號Vin的比值即為低噪聲放大器的增益。本發(fā)明所提出的超寬帶低噪聲放大器與圖1所示的傳統(tǒng)的低噪聲放大器相比改進(jìn)的地方及優(yōu)點(diǎn)如下1.并沒有像傳統(tǒng)寬帶低噪聲放大器那樣在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)一個(gè)分流MOS晶體管，這樣可以消除傳統(tǒng)技術(shù)中的分流MOS晶體管漏端到地的電容，從而在一定程度上提高了帶寬；2.在輸入放大級采用了電流復(fù)用技術(shù)，即流過MPl的電流同時(shí)流過麗1，這樣不但可以增加放大級的跨導(dǎo)，提高低噪聲放大器的增益，同時(shí)MPl分得麗1的部分電流，緩解了負(fù)載電阻RL上面的壓降，可以得到比較合理的輸出直流電位，使得在低電源電壓下能夠正常工作；
3.與其他論文中或?qū)＠械碾娏鲝?fù)用技術(shù)不同，本發(fā)明的電流復(fù)用技術(shù)采用了兩個(gè)獨(dú)立的偏置，即麗1、MPl由于電容Cl、C2的隔直作用而具有相對獨(dú)立的偏置，這樣的好處為麗1與MPl的電流可以相對獨(dú)立，而不受工藝偏差的影響，流過麗1、MP1的電流確定以后，那么負(fù)載電阻RL上面的壓降基本恒定，這樣可以為反饋器件MN3提供相對穩(wěn)定的直流電位，從而使得反饋環(huán)路更加穩(wěn)定的工作；
4.電感Ll加在低噪聲放大器的輸入放大級之前，不但為匹配做了一定貢獻(xiàn)，同時(shí)可以補(bǔ)償輸入端的電容，達(dá)到增加低噪聲放大器的帶寬的目的；
5.電感L2加在低噪聲放大器的負(fù)載級，可以對低噪聲放大器的輸出極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，使得輸出極點(diǎn)向遠(yuǎn)離原點(diǎn)的方向移動(dòng)，達(dá)到增加低噪聲放大器的帶寬的目的，也增強(qiáng)了增益的平坦度；
6.輸出緩沖級用來對輸出信號進(jìn)行緩沖，可以將輸出直流電位調(diào)整至合適的值， 也可以對輸出端口進(jìn)行匹配，便于低噪聲放大器流片后的單獨(dú)測試。
本發(fā)明的超寬帶低噪聲放大器具有足夠大的帶寬在0. 1-12GHZ寬帶范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)良好的輸入匹配，同時(shí)噪聲、線性度、增益、功耗等指標(biāo)都符合典型超寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)(具體性能將在實(shí)施方式中給出)，適用于無線寬帶通信。


圖1是傳統(tǒng)的寬帶低噪聲放大器。
圖2是本發(fā)明超寬帶低噪聲放大器的電路原理圖。
圖3是本發(fā)明超寬帶低噪聲放大器的輸入反射系數(shù)仿真曲線。
圖4是本發(fā)明超寬帶低噪聲放大器的增益仿真曲線。
圖5是本發(fā)明超寬帶低噪聲放大器的噪聲系數(shù)仿真曲線。
圖6是本發(fā)明超寬帶低噪聲放大器的三階輸入交調(diào)點(diǎn)仿真曲線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖2對本發(fā)明的超寬帶低噪聲放大器做進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明的超寬帶低噪聲放大器主要由輸入放大級、反饋級、匹配級、負(fù)載級、偏置級和輸出緩沖級電路共同組成，各部分的連接關(guān)系以及所起的作用如下
電源電壓 VDD 為 1. 2V，GND 為 OV ；
輸入放大級由NMOS晶體管麗1、麗2以及PMOS晶體管MPl共同組成，用以實(shí)現(xiàn)對輸入信號的放大功能，MNl的源極接地，漏極分別與MPl的漏極和MN2的源極相連接，MPl的源極連接電源VDD ；
反饋級由NMOS晶體管麗3、電阻Rf以及隔直電容Cl、C2共同組成，麗3的漏極接電源VDD，柵極連接輸入放大級的輸出端，源極連接反饋電阻Rf，并通過隔直電容Cl、C2連接到輸入放大級的輸入端，用來在電路中實(shí)現(xiàn)反饋得到等效的輸入阻抗，從而使匹配級實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配；
匹配級由帶有ESD保護(hù)的焊盤寄生電容CP、片內(nèi)電感Li、反饋器件麗3、Rf、Cl、C2 共同組成，電感Ll對輸入端的容性進(jìn)行了補(bǔ)償，選取合適的電感值可以實(shí)現(xiàn)寬帶輸入阻抗匹配，從而達(dá)到在所需要的頻帶內(nèi)獲得良好的輸入反射系數(shù)的目的；負(fù)載級由電阻RL、片內(nèi)電感L2、電容CL組成，RL、L2起到為低噪聲放大器提供負(fù)載從而實(shí)現(xiàn)正常放大信號的作用，電感L2與電阻RL串聯(lián)，CL為模擬低噪聲放大器下一級 (混頻器)所引入的電容；偏置部分由電流源11、12，匪OS晶體管麗4、麗5、麗6、麗7，PMOS晶體管MP2，電阻 RU R2、R3共同組成，偏置級通過電阻Rl、R2分別連接至輸入放大級中麗1和MPl的柵極， 起到為低噪聲放大器提供偏置電流的作用，以使得低噪聲放大器各個(gè)通路可以正常工作， 輸入放大級、反饋級所需的電流均由偏置級提供；輸出緩沖級由NMOS晶體管MN8、電阻R4組成，MN8的柵極與輸入放大級的輸出端 (MN2的漏極)連接，MN8的源極與電阻R4相連，可以將輸出直流電位調(diào)整至合適的值，也可以對輸出端口進(jìn)行阻抗匹配，便于低噪聲放大器流片后的單獨(dú)測試。Vin為射頻輸入信號，在輸入匹配良好的情況下，經(jīng)過C1、C2后進(jìn)入麗1、MP1的柵極，從麗1和MPl的漏端輸入出進(jìn)入麗2的源端，并從麗2的漏端輸出，這樣相當(dāng)于麗1、MP1 使用了電流復(fù)用技術(shù)，同時(shí)與MN2構(gòu)成了跨導(dǎo)增強(qiáng)型共源共柵放大級，有利于提高增益，共柵管MN2用來加強(qiáng)低噪聲放大器的逆向隔離，抑制密勒效應(yīng)，降低后續(xù)電路(如混頻器)產(chǎn)生的本振信號泄漏以及減小了輸出端到輸入端的反饋?zhàn)饔?，提高了電路的穩(wěn)定性。麗2的漏端與負(fù)載電阻RL和電感L2串聯(lián)，這樣可以實(shí)現(xiàn)對輸入信號的放大，電感 L2對高頻增益有一定的補(bǔ)償作用，從而能夠擴(kuò)展低噪聲放大器的帶寬，對L2進(jìn)行合適的取值會(huì)使超寬帶低噪聲放大器具有良好的增益平坦度。麗2的漏端至輸入信號端口之間存在一個(gè)反饋環(huán)路，由麗3、Rf組成，由于晶體管具有寄生電容，ESD保護(hù)也呈現(xiàn)容性，為了補(bǔ)償輸入端的容性，本發(fā)明使用了電感Ll做了一定程度的補(bǔ)償，這樣可以實(shí)現(xiàn)輸入端良好的匹配，使得輸入信號Vin的反射在可以接受的范圍內(nèi)。低噪聲放大器輸入阻抗匹配的條件為l/g^+Rf = Rs(l+Av)(3)Rs為源輸入阻抗，本發(fā)明中Rs取值50Ω，g 3為晶體管麗3的跨導(dǎo)，&為反饋環(huán)路中帶內(nèi)阻Rf的阻值，Av為麗2漏端的輸入信號與輸入信號的比值。根據(jù)(3)式可知，若要滿足匹配條件，則有Rf < Rs(l+Av)(4)麗2的漏端連接至緩沖級MN8的柵極，MN8的源極連接電阻R4，輸出信號Vout為射頻輸出信號，Vout從電阻R4和MN8之間的連接處輸出。通過調(diào)節(jié)緩沖級MN8和R4的輸出阻抗，使得與測試儀的阻抗匹配，可以在流片后單獨(dú)對低噪聲放大器進(jìn)行測試，同時(shí)緩沖級進(jìn)一步增強(qiáng)了低噪聲放大器的隔離度，本發(fā)明中緩沖級對增益有2dB的衰減。若要實(shí)現(xiàn)輸入放大級正常工作，則需要建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。本發(fā)明采用隔直電容C1、C2使得輸入放大級晶體管MN1、MP1具有獨(dú)立的偏置，從而不受工藝等因素的影響； 電流源II、晶體管MN6以及電阻Rl為麗1提供了合適的偏置電流，以完成電流鏡像的作用； 晶體管麗7、MP2以及電阻R2、R3為MPl提供了合適的偏置電流，以完成電流鏡像的作用；電流源12、晶體管MN4、麗5為反饋環(huán)路提供穩(wěn)定的電流，完成電流鏡像的作用，從而保證麗3具有相對恒定的跨導(dǎo)。
電容CL為負(fù)載電容，用來模擬下一級(混頻器)的柵極到地的電容，仿真時(shí)設(shè)置 CL 為 IOOfF0
本發(fā)明超寬帶低噪聲放大器的輸入反射系數(shù)(Sll)的仿真曲線如圖3所示。在 0. 1-12GHZ頻率范圍內(nèi)輸入反射系數(shù)均小于-10dB，滿足一般低噪聲放大器輸入阻抗匹配的要求。增益曲線(Gain)如圖4所示。在0. l_12GHz頻率范圍內(nèi)增益在15.沈_16. 76dB 之間變化，實(shí)現(xiàn)了良好的增益平坦度。
本發(fā)明的超寬帶低噪聲放大器噪聲系數(shù)(Noise Figure)如圖5所示，在 0. l-12GHz頻率范圍內(nèi)噪聲系數(shù)在2. 3-3. 5dB之間，而在0. 2_8GHz頻率范圍內(nèi)小于2. 8dB， 完全滿足超寬帶低噪聲放大器的低噪聲要求。
對于低噪聲放大器而言，線性度也是至關(guān)重要的，它決定了低噪聲放大器所能接受的信號的最大強(qiáng)度，本發(fā)明低噪聲放大器在1.2V電源電壓供電下，三階輸入交調(diào)點(diǎn) (IIP3)的仿真曲線如圖6所示，在0. l-12GHz頻率范圍內(nèi)，IIP3在-IOdBm至-4. 4dBm之間變化，滿足一般低噪聲放大器的線性度要求。
綜上所述，本發(fā)明的超寬帶低噪聲放大器使用65nm RFCMOS工藝進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在 0. 1-12GHZ帶寬內(nèi)可以正常工作，輸入匹配性能良好，噪聲和線性度均可滿足正常工作指標(biāo)，主放大級電流為5. 54mA，反饋級電流為1. 73mA，后面緩沖級電流為1. 38mA，消耗總電流約為 8. 65mA。
最后應(yīng)說明的是本發(fā)明不僅適用于工作于0. 1-12GHZ帶寬范圍內(nèi)的低噪聲放大器，本發(fā)明提出了具體方案和仿真驗(yàn)證，因此只要不脫離本發(fā)明中的實(shí)施思想，都屬于本發(fā)明的權(quán)利要求范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于電感補(bǔ)償?shù)纳漕l超寬帶低噪聲放大器，包括輸入放大級、反饋級、匹配級、 負(fù)載級、偏置級和輸出緩沖級，其特征在于該低噪聲放大器電路中采用了電感補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)在超寬帶范圍內(nèi)的較為平坦的高增益，組成該低噪聲放大器的電路結(jié)構(gòu)和功能如下所述的輸入放大級由NMOS晶體管麗1、麗2以及PMOS晶體管MPl共同組成，用以實(shí)現(xiàn)對輸入信號的放大功能；所述的反饋級由NMOS晶體管麗3、電阻Rf以及電容C1、C2共同組成，連接在輸入放大級的輸出端和輸入端之間，用來在電路中實(shí)現(xiàn)反饋得到等效的輸入阻抗，從而可以使匹配級實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配；所述的匹配級由帶有ESD保護(hù)的焊盤寄生電容CP、片內(nèi)電感Li、反饋器件麗3、Rf、Cl、 C2共同組成，這樣可以實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配，從而獲得良好的輸入反射系數(shù)；所述的負(fù)載級由電阻RL、片內(nèi)電感L2、電容CL組成，RL、L2起到為低噪聲放大器提供負(fù)載從而實(shí)現(xiàn)正常放大信號的作用，CL為模擬低噪聲放大器下一級(混頻器)所引入的電容；所述的偏置級由電流源II、12，NMOS晶體管MN4、MN5、MN6、MN7，PMOS晶體管MP2，電阻 RU R2、R3共同組成，起到為低噪聲放大器提供偏置電流的作用，以使得低噪聲放大器各個(gè)通路可以正常工作；所述的輸出緩沖級由NMOS晶體管MN8、電阻R4組成，可以將輸出直流電位調(diào)整至合適的值，也可以對輸出端口進(jìn)行阻抗匹配，便于低噪聲放大器流片后的單獨(dú)測試；輸入放大級與負(fù)載級實(shí)現(xiàn)對輸入信號Vin放大，輸入放大級輸出端連接反饋級、負(fù)載級和輸出緩沖級，輸入放大級對信號進(jìn)行放大后經(jīng)MN2的漏端輸出，通過反饋級反饋至輸入放大級的輸入端，同時(shí)麗2的漏端輸出信號流入輸出緩沖級，輸出低噪聲放大器的輸出信號Vout，偏置級與輸入放大級、反饋級相連接，為輸入放大級和反饋級提供合適的偏置電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感補(bǔ)償?shù)纳漕l超寬帶低噪聲放大器，其特征在于反饋級和匹配級中的C1、C2為隔直電容，使得晶體管麗1和MPl具有相對獨(dú)立的偏置，這樣的好處為麗1與MPl的電流可以相對獨(dú)立，而不受工藝偏差的影響，流過麗1、MPl的電流確定以后， 那么負(fù)載電阻RL上面的壓降基本恒定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感補(bǔ)償?shù)纳漕l超寬帶低噪聲放大器，其特征在于匹配級和負(fù)載級分別采用了電感Ll和L2進(jìn)行頻率補(bǔ)償，從而可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的超大帶寬。
全文摘要
本發(fā)明為一種基于電感補(bǔ)償?shù)纳漕l超寬帶低噪聲放大器，涉及射頻集成電路技術(shù)，本發(fā)明主要由輸入放大級、反饋級、匹配級、負(fù)載級、偏置級和輸出緩沖級電路共同組成。本發(fā)明的超寬帶低噪聲放大器在輸入匹配級和負(fù)載級均采用了電感補(bǔ)償，帶有獨(dú)立偏置的電流復(fù)用技術(shù)降低了低噪聲放大器對工藝的敏感性，使得性能更加穩(wěn)定，也實(shí)現(xiàn)了超大帶寬，工作頻率范圍為0.1-12GHz，同時(shí)取得了良好的噪聲、線性度、增益、功耗等指標(biāo)，適用于超寬帶多標(biāo)準(zhǔn)無線通信接收系統(tǒng)中。
文檔編號H03F3/189GK102497167SQ20111040764
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者于奇, 劉洋, 吳洪天, 張小龍, 徐汝云, 楊帆 申請人:電子科技大學(xué)