專利名稱：一種多模低噪聲放大器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多模低噪聲放大器電路，可用于集成電路射頻接收器中，同時(shí)接收多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的射頻信號。
背景技術(shù)：
低噪聲放大器廣泛使用于射頻接收器的前端，對微弱的射頻信號進(jìn)行放大。如果要同時(shí)接收多個(gè)無線電頻段的射頻信號，一般的方法有一是使用寬帶放大器，對很寬頻率范圍內(nèi)的任何頻率的信號都放大；二是用多個(gè)窄帶低噪聲放大器分別放大不同頻段的射頻信號。
寬帶放大器的缺點(diǎn)是功耗和噪聲指數(shù)(Noise Figure)都很大，在手持式無線電設(shè)備中不適用。為了實(shí)現(xiàn)一臺手持設(shè)備接收多個(gè)射頻頻段的信號，例如GSM、PHS、DECT、Bluetooth、GPS、IEEE 802.11b等，使用兩個(gè)或多個(gè)窄帶低噪聲放大器分別對應(yīng)不同的標(biāo)準(zhǔn)。這種方案一方面不利于手持設(shè)備的縮小，另一方面使手持式設(shè)備的成本增加。
因此如何利用一個(gè)窄帶低噪聲放大器實(shí)現(xiàn)對多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻段射頻信號的放大是業(yè)內(nèi)人士研究的項(xiàng)目之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)Χ鄠€(gè)頻段的射頻信號進(jìn)行放大的低噪聲放大器電路，實(shí)現(xiàn)多模射頻接收，減小系統(tǒng)的規(guī)模和成本。
本發(fā)明所提供的一種多模低噪聲放大器電路，其適合多個(gè)射頻接收標(biāo)準(zhǔn)，是一種共源共柵結(jié)構(gòu)的窄帶放大器，其特征在于，包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、與該輸入匹配網(wǎng)絡(luò)相連的共源共柵放大器、與該共源共柵放大器相連的調(diào)節(jié)電路、與該調(diào)節(jié)電路相連的輸出網(wǎng)絡(luò)、以及與該輸出網(wǎng)絡(luò)相連的管腳電路，其中輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，將天線接收的無線信號，在多個(gè)頻段進(jìn)行輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗與天線的輸出阻抗相匹配；共源共柵放大器，提供對信號的放大；輸出網(wǎng)絡(luò)，包括調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和微調(diào)網(wǎng)絡(luò)，通過微調(diào)可以克服工藝變化、管腳及綁定線對頻段的影響；調(diào)節(jié)電路，通過調(diào)節(jié)輸出網(wǎng)絡(luò)的微調(diào)電路和本調(diào)節(jié)電路，可以獲得三個(gè)頻段的諧振點(diǎn)；管腳電路，用于和電路外界信號交換。
上述的多模低噪聲放大器電路，其中，調(diào)節(jié)電路是由可變電容組成。
上述的多模低噪聲放大器電路，其中，可變電容是MOS電容，通過電壓調(diào)節(jié)電容的大小，改變諧振的頻段。
上述的多模低噪聲放大器電路，其中，可變電容是平板電容陣列，使用不同的電容獲得一組三個(gè)不同的頻段。
上述的多模低噪聲放大器電路，其中，管腳電路中的I/O管腳的結(jié)構(gòu)為在多層金屬層中，選擇下面某一層金屬通過內(nèi)部電路至片外接地，選擇上層金屬做連接，與片內(nèi)外電路相連。
上述的多模低噪聲放大器電路，其中，微調(diào)網(wǎng)絡(luò)可以對三個(gè)諧振點(diǎn)的增益在設(shè)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
采用了上述的技術(shù)解決方案，本發(fā)明電路實(shí)現(xiàn)了一種多模低噪聲放大器，特別是三個(gè)模式，例如接收IEEE 802.11b、Bluetooth、DECT、PHS以及GPS信號等。應(yīng)用于多模射頻接收器的前端，接收多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的射頻信號。本發(fā)明完成寬帶低噪聲放大器或多個(gè)窄帶低噪聲放大器的功能，實(shí)現(xiàn)多模射頻接收，減小系統(tǒng)的規(guī)模和成本。


圖1是本發(fā)明多模低噪聲放大器電路原理圖；圖2是本發(fā)明的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的等效電路圖；圖3(a)～(b)是以雙層金屬工藝為例的管腳結(jié)構(gòu)及其等效電路圖；圖4(a)～(b)是輸入阻抗的虛部和實(shí)部的仿真匹配波形圖；圖5可變電容Cd等于1.4pF時(shí)的仿真結(jié)果波形圖；圖6可變電容Cd等于2.4pF時(shí)的仿真結(jié)果波形圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明多模低噪聲放大器電路，輸入信號是天線接收的射頻信號，天線的內(nèi)阻Rs等于50歐姆。射頻信號經(jīng)過輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)100送到共源共柵放大器200。共源共柵放大器電路200本身是一種窄帶放大器，利用輸入匹配網(wǎng)絡(luò)100，在多個(gè)頻率點(diǎn)產(chǎn)生輸入阻抗的實(shí)部為50歐姆，而虛部為0歐姆。從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率點(diǎn)輸入阻抗為50歐姆的阻抗匹配。輸出端設(shè)置輸出諧振網(wǎng)絡(luò)301，與輸入阻抗匹配頻率對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對多個(gè)頻率的射頻信號放大。
本發(fā)明多模低噪聲放大器電路，其適合多個(gè)射頻接收標(biāo)準(zhǔn)，是一種共源共柵結(jié)構(gòu)的窄帶放大器，包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)100、與該輸入匹配網(wǎng)絡(luò)100相連的共源共柵放大器200、與該共源共柵放大器200相連的調(diào)節(jié)電路400、與該調(diào)節(jié)電路400相連的輸出網(wǎng)絡(luò)300、以及與該輸出網(wǎng)絡(luò)300相連的管腳電路500。
輸入匹配網(wǎng)絡(luò)100，將天線接收的無線信號，在多個(gè)頻段進(jìn)行輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗與天線的輸出阻抗相匹配。
共源共柵放大器200，提供對信號的放大，主要由晶體管M1、M2、電感Ls和接地管腳所組成。
輸出網(wǎng)絡(luò)300，包括調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)301和微調(diào)網(wǎng)絡(luò)302，通過微調(diào)可以克服工藝變化、管腳及綁定線對頻段的影響。調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)301主要由電感Lm3、Lm4、Lm5和電容Cm3所組成。微調(diào)網(wǎng)絡(luò)302主要由Lm1、Lm2、Cm1、Cm2所組成，可以對三個(gè)諧振點(diǎn)的增益在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
調(diào)節(jié)電路400，通過調(diào)節(jié)輸出網(wǎng)絡(luò)的微調(diào)電路和本調(diào)節(jié)電路，可以獲得三個(gè)頻段的諧振點(diǎn)，主要由電阻Rd和電容Cd所組成。電容Cd是可變電容，可以是MOS電容，通過電壓調(diào)節(jié)電容的大小，改變諧振的頻段；也可以是平板電容陣列，使用不同的電容獲得一組三個(gè)不同的頻段。
管腳電路，用于和電路外界信號交換。由電感、電容Cpad、襯底電阻Rsub所組成。
圖2是輸入匹配網(wǎng)絡(luò)100等效電路圖，其包括輸入管腳電路502。該等效電路主要由電容Cg、Cgs、電感Lg、Lp、電阻Rg和管腳寄生電阻和電容組成。
Rg是柵電阻，通過優(yōu)化MOS管的個(gè)數(shù)以及版圖結(jié)構(gòu)，可以使Rg很小，為推導(dǎo)匹配阻抗，可以忽略不計(jì)。
采用特殊的管腳(PAD)結(jié)構(gòu)，使PAD的寄生參數(shù)最小，先不考慮PAD的寄生參數(shù)，但是要根據(jù)封裝形式的不同適當(dāng)考慮綁定線(Bondwired)的電感。輸入端各節(jié)點(diǎn)的輸入等效阻抗為 為了使輸入阻抗50歐姆匹配，就要使(2)中的虛部為0，而實(shí)部為50歐姆。滿足下面兩個(gè)公式 LsCgs*gm=50----(4)]]>上面各式中Ls是M1的源極電感，包括綁定線電感；Cgs是M1的柵源間的電容，Cgs與柵源之間的交疊程度以及M1的大小等因素有關(guān)；Lp是柵極電感，包括輸入管腳的綁定線電感；gm是M1的跨導(dǎo)，與M1的大小、過驅(qū)動電壓等因素有關(guān)；Cg和Lg并聯(lián)通過輸入管腳接到M1的柵極，是分立的電容電感。
求解(3)，調(diào)節(jié)Lg和Cg，可以導(dǎo)出兩個(gè)頻率點(diǎn)滿足(3)，這兩個(gè)頻率點(diǎn)輸入阻抗的虛部為零，而實(shí)部為50歐姆。為了導(dǎo)出第三個(gè)頻率點(diǎn)，實(shí)部仍然為50歐姆，但虛部不為零。為了使虛部接近零，調(diào)節(jié)Cg和Lg使三個(gè)頻點(diǎn)的虛部都在一定的誤差范圍之內(nèi)為0歐姆。
在實(shí)際的電路中，不僅要考慮電感的寄生電阻，更重要的是要考慮管腳的寄生電容和襯底電阻。
圖3(a)～(b)是以雙層金屬工藝為例的管腳結(jié)構(gòu)及其等效電路圖，金屬(Metal)1通過芯片內(nèi)部的連線直接接到片外的地(Gnd)。兩層金屬1、2間的厚度很大，一般約7500A°，作為平板電容，它們的電容值較小。通過這種處理，可以屏蔽襯底電阻的影響；也可以使管腳的寄生電容達(dá)到最小，例如可以達(dá)到50fF左右。輸入輸出信號的管腳500都用這種結(jié)構(gòu)的管腳。這種管腳可以有效地提高低噪聲放大器的性能。如圖3(b)是其等效電路，Rsub是襯底電阻，Rb是綁定線電阻、Cox1是金屬層間的電容、Cox2是下層金屬與襯底之間的電容、LB是綁定線電感。
在低噪聲放大器的輸出端，設(shè)置一個(gè)內(nèi)部的輸出管腳501，通過該管腳可以輸出信號到芯片外部，在芯片外部接輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。在內(nèi)部管腳的兩端設(shè)置調(diào)節(jié)電路400、諧振網(wǎng)絡(luò)301和微調(diào)網(wǎng)絡(luò)302。該管腳也可以不接到芯片外部，通過微調(diào)網(wǎng)絡(luò)把放大的信號輸出到下一級集成電路，例如到混頻器。
調(diào)節(jié)微調(diào)網(wǎng)絡(luò)302和調(diào)節(jié)電路400的電容Cm和Cd對三個(gè)諧振點(diǎn)的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。也可以通過微調(diào)網(wǎng)絡(luò)302的微調(diào)電感Lm對三個(gè)諧振點(diǎn)的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體的電路結(jié)構(gòu)見圖1所示。
下面結(jié)合具體的實(shí)現(xiàn)電路做進(jìn)一步的說明。
以1.2um CMOS工藝為例，圖1帶入實(shí)際的工藝參數(shù)，并考慮各種寄生參數(shù)，進(jìn)行仿真分析。圖4(a)～(b)是輸入阻抗的虛部和實(shí)部的仿真匹配圖。可以看出在三個(gè)頻段小于480MHz、大于500MHz小于1400MHz、大于1500MHz小于2500Mhz，輸入電阻在50±10歐姆之間。虛部除在700MHz附近出現(xiàn)一個(gè)極點(diǎn)外，在其它需要的頻段阻抗在±j15歐姆之間。
調(diào)節(jié)電路400是由一個(gè)可變電容構(gòu)成的。該電容Cd可以是MOS電容，也可以是電容陣列。MOS電容可以連續(xù)可調(diào)可變電容的大小，而電容陣列對電容值的選擇是不連續(xù)的。例如在該工藝電路參數(shù)下，設(shè)置Cd＝1.4pF，Cm＝8.6pF，瞬態(tài)仿真的結(jié)果如圖5所示。第一個(gè)諧振點(diǎn)在530MHz，電壓增益是21.3dB，帶寬空間是40MHz時(shí)，電壓增益是15dB；第二個(gè)諧振點(diǎn)是1570MHz，電壓增益是22.8dB，帶寬空間是50MHz時(shí)，電壓增益是14.7dB；第三個(gè)諧振點(diǎn)是2410MHz，電壓增益是20.5dB，帶寬空間是60MHz時(shí)，電壓增益是14.7dB。
調(diào)節(jié)可變電容Cd＝2.4pF，Cm＝8.6pF，仿真結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯隹勺冸娙莸淖兓瘜θ齻€(gè)頻段的頻率和電壓增益都有調(diào)節(jié)作用，從而實(shí)現(xiàn)對頻段的調(diào)節(jié)。
在可變電容Cd＝1.6pF，Cm＝8.6pF時(shí)，表1是噪聲指數(shù)(NF)的仿真結(jié)果。
表1 在表1的條件下，表2是該多模低噪聲放大器1dB壓縮點(diǎn)的仿真結(jié)果。
表2 綜上所述，本發(fā)明利用一個(gè)窄帶低噪聲放大器電路實(shí)現(xiàn)了對多個(gè)頻段射頻信號的放大，通過輸出端的頻段調(diào)節(jié)電路400及微調(diào)網(wǎng)絡(luò)302實(shí)現(xiàn)對多個(gè)諧振頻率的調(diào)節(jié)，一方面可以克服由于工藝的變化及管腳(PAD)和綁定線(Bondingwire)對頻率的影響；另一方面，也可以處理其它頻段的信號。例如利用調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)對430MHz、520MHz、1200MHz、1500MHz、1900MHz以及2400MHz頻段信號的放大。本發(fā)明電路用1.2um CMOS工藝進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，其結(jié)果顯示各個(gè)頻段的噪聲系數(shù)(NF)在0.8dB～4.5dB之間、1dB壓縮點(diǎn)在-13dBm～5.5dBm之間，對以上頻段輸入匹配在50歐姆附近。
權(quán)利要求
1.一種多模低噪聲放大器電路，其適合多個(gè)射頻接收標(biāo)準(zhǔn)，是一種共源共柵結(jié)構(gòu)的窄帶放大器，其特征在于，包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、與該輸入匹配網(wǎng)絡(luò)相連的共源共柵放大器、與該共源共柵放大器相連的調(diào)節(jié)電路、與該調(diào)節(jié)電路相連的輸出網(wǎng)絡(luò)、以及與該輸出網(wǎng)絡(luò)相連的管腳電路，其中輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，將天線接收的無線信號，在多個(gè)頻段進(jìn)行輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗與天線的輸出阻抗相匹配；共源共柵放大器，提供對信號的放大；輸出網(wǎng)絡(luò)，包括調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和微調(diào)網(wǎng)絡(luò)，通過微調(diào)可以克服工藝變化、管腳及綁定線對頻段的影響；調(diào)節(jié)電路，通過調(diào)節(jié)輸出網(wǎng)絡(luò)的微調(diào)電路和本調(diào)節(jié)電路，可以獲得三個(gè)頻段的諧振點(diǎn)；管腳電路，用于和電路外界信號交換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模低噪聲放大器電路，其特征在于所述的調(diào)節(jié)電路是由可變電容組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多模低噪聲放大器電路，其特征在于所述可變電容是MOS電容，通過電壓調(diào)節(jié)電容的大小，改變諧振的頻段。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多模低噪聲放大器電路，其特征在于所述可變電容是平板電容陣列，使用不同的電容獲得一組三個(gè)不同的頻段。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模低噪聲放大器電路，其特征在于所述管腳電路中的I/O管腳的結(jié)構(gòu)為在多層金屬層中，選擇下面某一層金屬通過內(nèi)部電路至片外接地，選擇上層金屬做連接，與片內(nèi)外電路相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模低噪聲放大器電路，其特征在于所述微調(diào)網(wǎng)絡(luò)可以對三個(gè)諧振點(diǎn)的增益在設(shè)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
全文摘要
一種多模低噪聲放大器電路，其適合多個(gè)射頻接收標(biāo)準(zhǔn)，是一種共源共柵結(jié)構(gòu)的窄帶放大器，其特征在于，包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、共源共柵放大器、調(diào)節(jié)電路、輸出網(wǎng)絡(luò)、以及管腳電路，其中輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，對于多個(gè)頻段都具有輸入阻抗匹配；輸出網(wǎng)絡(luò)，通過微調(diào)可以克服工藝變化、管腳及綁定線對頻段的影響；調(diào)節(jié)電路，通過調(diào)節(jié)參數(shù)，可以獲得三個(gè)頻段的諧振點(diǎn)。采用了上述的技術(shù)解決方案，本發(fā)明的電路實(shí)現(xiàn)了一種多模低噪聲放大器，特別是三個(gè)模式，例如接收IEEE 802.11b、Bluetooth、DECT、PHS以及GPS信號等。應(yīng)用于多模射頻接收器的前端，接收多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的射頻信號。完成寬帶低噪聲放大器或多個(gè)窄帶低噪聲放大器的功能，實(shí)現(xiàn)多模射頻接收，減小系統(tǒng)的規(guī)模和成本。
文檔編號H03F3/193GK1797939SQ20041009925
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
發(fā)明者陳后鵬, 陳明, 談穎莉 申請人:上海貝嶺股份有限公司