低噪聲放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低噪聲放大器，包括：輸入級，與通信接收機的天線連接，用于接收所述天線傳輸?shù)男盘?；匹配級，與所述輸入級連接，所述天線傳輸?shù)男盘柾瑫r傳輸?shù)剿鲚斎爰壓退銎ヅ浼?，所述匹配級用于調(diào)節(jié)電路的輸入匹配；隔離級，與所述輸入級連接，用于防止輸出端的信號影響所述輸入級的信號；負載級，與所述隔離級連接，用于所述天線傳輸?shù)男盘柾ㄟ^所述負載級輸出到所述輸出端。本發(fā)明提供的低噪聲放大器，能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓和低功耗應用，滿足增益變換的需求，減小電路版圖面積，節(jié)約芯片生產(chǎn)的成本。
【專利說明】
低噪聲放大器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，尤其涉及一種低噪聲放大器。
【背景技術(shù)】
[0002]低噪聲放大器是通信接收機重要模塊之一，主要功能就是將接收到的信號進行放大，以便使后一級的模塊處理。低噪聲放大器一般位于天線之后，是整個接收系統(tǒng)的第一級，這就要求低噪聲放大器必須符合要求:自身必須低噪聲;輸入匹配比較好，具有盡量小的反射系數(shù)。
[0003]隨著技術(shù)的發(fā)展，電容交叉耦合低噪聲放大器已經(jīng)成為常見的電路(如圖1所示)，但是該電路需要四個電感。在集成電路中電感占有極大的面積，大大提高了芯片的生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題
[0005]有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，如何提供一種生產(chǎn)成本低且占用面積小的低噪聲放大器。
[0006]解決方案
[0007]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種低噪聲放大器，包括:
[0008]輸入級，與通信接收機的天線連接，用于接收所述天線傳輸?shù)男盘枺?br>[0009]匹配級，與所述輸入級連接，所述天線傳輸?shù)男盘柾瑫r傳輸?shù)剿鲚斎爰壓退銎ヅ浼?，所述匹配級用于調(diào)節(jié)電路的輸入匹配；
[0010]隔離級，與所述輸入級連接，用于防止輸出端的信號影響所述輸入級的信號；
[0011 ]負載級，與所述隔離級連接，用于所述天線傳輸?shù)男盘柾ㄟ^所述負載級輸出到所述輸出端。
[0012]在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述輸入級包括:第一晶體管Ml的柵極通過第二電容C2耦合到第二晶體管M2的源極，所述第一晶體管Ml的源極連接輸入正端VINP，所述第二晶體管M2的柵極通過第一電容Cl耦合到所述第一晶體管Ml的源極，所述第二晶體管M2的源極連接到輸入負端VINN。
[0013]在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述隔離級包括:第三晶體管M3的源極與所述第一晶體管Ml的漏極耦合，所述第三晶體管M3的漏極與第一輸出端VOUTP連接，第四晶體管M4的源極與所述第二晶體管M2的漏極耦合，所述第四晶體管M4的漏極與第二輸出端VOUTN連接。
[0014]在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述負載級包括:第五晶體管M5和第六晶體管M6的源極連接到電源VDD上，所述第五晶體管M5的漏極連接所述第一輸出端V0UTP，所述第六晶體管M6的漏極連接第二輸出端VOUTN，差分電感LI的中心抽頭連接到電源VDD上，一端連接所述第一輸出端VOUTP，另一端連接所述第二輸出端VOUTN。
[0015]在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述匹配級包括:第七晶體管M7的漏極連接所述輸入正端VINP，所述第七晶體管M7的源極接地，第八晶體管M8的漏極連接所述輸入負端VINN，所述第八晶體管M8的源極接地。
[0016]在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述第一晶體管M1、所述第二晶體管M2、所述第三晶體管M3、所述第四晶體管M4、所述第七晶體管M7和所述第八晶體管M8為NMOS晶體管。
[0017]在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述第五晶體管M5和所述第六晶體管M6為PMOS晶體管。
[0018]在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述低噪聲放大器的電壓增益可以表達為:
[0019]G3 = gml*(l+A)*RLoad
[°02°]其中，G3代表所述低噪聲放大器的電壓增益，gml代表所述第一晶體管Ml的小信號跨導，RLoad由所述第三晶體管M3、所述第五晶體管M5和所述差分電感LI工作時的等效電阻值確定，A代表電容構(gòu)成的輔助放大器的放大倍數(shù)。
[0021]有益效果
[0022]本發(fā)明提供的低噪聲放大器，能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓和低功耗應用，滿足增益變換的需求，減小電路版圖面積，節(jié)約芯片生產(chǎn)的成本。
[0023]根據(jù)下面參考附圖對示例性實施例的詳細說明，本發(fā)明的其它特征及方面將變得清楚。
【附圖說明】
[0024]包含在說明書中并且構(gòu)成說明書的一部分的附圖與說明書一起示出了本發(fā)明的示例性實施例、特征和方面，并且用于解釋本發(fā)明的原理。
[0025]圖1是現(xiàn)有的電容交叉耦合低噪聲放大器原理圖；
[0026]圖2是本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器的原理圖；
[0027]圖3是本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器的增益結(jié)果曲線；
[0028]圖4是本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器的噪聲結(jié)果曲線。
【具體實施方式】
[0029]以下將參考附圖詳細說明本發(fā)明的各種示例性實施例、特征和方面。附圖中相同的附圖標記表示功能相同或相似的元件。盡管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。
[0030]在這里專用的詞“示例性”意為“用作例子、實施例或說明性”。這里作為“示例性”所說明的任何實施例不必解釋為優(yōu)于或好于其它實施例。
[0031]另外，為了更好的說明本發(fā)明，在下文的【具體實施方式】中給出了眾多的具體細節(jié)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解，沒有某些具體細節(jié)，本發(fā)明同樣可以實施。在一些實例中，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法、手段、元件未作詳細描述，以便于凸顯本發(fā)明的主旨。
[0032]實施例1
[0033]圖2是本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器的原理圖，如圖2所示，本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器，是一種電容交叉耦合低噪聲放大器，包括:輸入級、匹配級、隔離級、負載級。
[0034]輸入級，包括第一晶體管Ml和第二晶體管M2，與通信接收機的天線連接，用于接收所述天線傳輸?shù)男盘?。匹配級，與所述輸入級連接，包括第七晶體管M7和第八晶體管M8，所述天線傳輸?shù)男盘柾瑫r傳輸?shù)剿鲚斎爰壓退銎ヅ浼?，所述匹配級用于調(diào)節(jié)電路的輸入匹配。隔離級，與所述輸入級連接，包括第三晶體管M3和第四晶體管M4，用于防止輸出端的信號影響所述輸入級的信號。負載級，與所述隔離級連接，包括第五晶體管M5、第六晶體管M6和差分電感LI，所述天線傳輸?shù)男盘柾ㄟ^所述負載級輸出到輸出端。
[0035]本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器，與圖1所示的【背景技術(shù)】類似也屬于CG-CS結(jié)構(gòu)，包括輸入級、負載級，但是本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器與圖1相比增加了隔離級和匹配級。一般的放大器只是包括了輸入級和負載級，信號經(jīng)過輸入級輸入，通過負載級輸出。本發(fā)明實施例增加了匹配級，主要原因是低噪聲放大器需要很高的輸入匹配，只是通過一個輸入級做簡單的匹配很難做到比較好的輸入匹配，通過匹配級可以容易地調(diào)節(jié)電路的輸入匹配。同時，本發(fā)明實施例增加了隔離級，主要原因是低噪聲放大器的輸出一般連接在混頻器電路，混頻器的本振信號比較強，如果混頻器的隔離度不好，混頻器的本振很容易影響混頻器的輸入信號，即低噪聲放大器的輸出信號，如果低噪聲放大器沒有隔離級，會影響低噪聲放大器的輸入信號。因此，通過設(shè)置隔離級可以防止低噪聲放大器輸出端的信號影響輸入端的信號。信號所經(jīng)過本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器的通路是:信號同時輸入輸入級和匹配級，然后再經(jīng)過隔離級，進而通過負載級輸出外部。
[0036]發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器通過CMOS管代替原有的電感，節(jié)省了面積。并且，通過增加CMOS，增加負載，然后通過電壓控制來改變CMOS的工作狀態(tài)從而改變低噪聲放大器的放大倍數(shù)。具體包括:
[0037]輸入級包括:第一晶體管Ml的柵極通過第二電容C2耦合到第二晶體管M2的源極，第一晶體管Ml的源極連接輸入正端VINP，第二晶體管M2的柵極通過第一電容Cl耦合到第一晶體管Ml的源極，第二晶體管M2的源極連接到輸入負端VINN。
[O O3 8 ]隔離級具體包括:第三晶體管M 3的源極與第一晶體管MI的漏極親合，第三晶體管M3的漏極與第一輸出端VOUTP連接，第四晶體管M4的源極與第二晶體管M2的漏極耦合，第四晶體管M4的漏極與第二輸出端VOUTN連接。
[0039]負載級具體包括:第五晶體管M5和第六晶體管M6的源極連接到電源VDD上，第五晶體管M5的漏極連接第一輸出端VOUTP，第六晶體管M6的漏極連接第二輸出端VOUTN，差分電感LI的中心抽頭連接到電源VDD上，一端連接第一輸出端VOUTP，另一端連接第二輸出端VOUTN0
[0040]匹配級具體包括:第七晶體管M7的漏極連接所述輸入正端VINP，第七晶體管M7的源極接地，第八晶體管M8的漏極連接所述輸入負端VINN，第八晶體管M8的源極接地，可以通過Vb2調(diào)節(jié)柵極電壓靈活改變M7和M8的工作狀態(tài)，可以避免實際偏差。
[0041 ]在一種可能的實現(xiàn)方式中，第一晶體管Ml、第二晶體管M2、第三晶體管M3、第四晶體管M4、第七晶體管M7和第八晶體管M8為NMOS晶體管。
[0042]在一種可能的實現(xiàn)方式中，第五晶體管M5和所述第六晶體管M6為PMOS晶體管。
[0043]本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器具體的工作原理如下:
[0044]假設(shè)低噪聲放大器所需匹配的電阻為50歐姆，那么低噪聲的輸入電阻也必須為50歐姆，即低噪聲放大器的阻抗為50歐姆，低噪聲放大器的阻抗由兩部分組成。Zini代表從射頻信號輸入正端VINP和射頻信號輸入負端VINN看進匪OS管M7和M8源端的阻抗，Zini可以表達為:
[0045]ZlNl = I/gm7(I)
[0046]gm7 是 NMOS 管 M7 的跨導；
[0047]ZIN2代表從射頻信號輸入正端VINP和射頻信號輸入負端VINN看進NMOS管Ml和M2源端的阻抗，而ZIN2由于輔助放大器的反饋作用，阻抗會減小，ZIN2可以表達為:
[0048]Zin2 = 1/(1+A)gmi(2)
[0049]gml是NMOS管Ml的跨導;A代表電容構(gòu)成的輔助放大器的放大倍數(shù)，由NMOS管Ml和M2和電容Cl和電容C2所組成的交叉耦合-共柵放大器的放大倍數(shù)，其表達式:
[0050]A = C1/(C1+Cgsi)(3)
[0051 ] 0^是應05管Ml的柵極和源極之間的電容。
[0052]綜合式(I)和式(2)，從射頻信號輸入正端VINP和射頻信號輸入負端VINN看進去的總阻抗可以以導納的形式表達為:
[0053]GIN=gm7+(l+A)*gmi(4)
[0054]GIN代表從射頻信號輸入正端VINP和射頻信號輸入負端VINN看進去的總導納。
[0055]通過VbJPVb2分別調(diào)節(jié)柵極電壓來改變匪OS管的Ml、M2和M7、M8的工作狀態(tài)，進而改變輸入級的Ml和匹配級的M7的跨導，進而改變了低噪聲的輸入阻抗，從而能夠優(yōu)化電路的匹配狀態(tài)。
[0056]￥町^2^3分別通過大的偏置電阻為匪03管祖、12、17、18和?105管15、16提供偏置電壓。
[0057]通過Vb3調(diào)節(jié)柵極電壓來改變PMOS管的M5和M6的工作狀態(tài)，調(diào)整電路的負載，改變放大器的電壓增益。
[0058]在通信系統(tǒng)中，一般接收到的信號強弱會變化，為了保證系統(tǒng)的性能，低噪聲放大器的增益也必須可以變化，這就對低噪聲放大器提出新的要求。本發(fā)明通過一個電壓控制，可以改變低噪聲放大器的增益。
[0059]電壓增益調(diào)解具體原理分析如下:本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器的增益可以分成兩個部分，從MOS管Ml和M2的源端輸入的射頻信號通過隔離級的NMOS管M3和M4和負載級的PMOS管M5和M6，以及差分電感LI所引起的電壓增益記為G1,從匪OS管MI和M2的柵端輸入的射頻信號所引起的電壓增益記為G2。表達為:
[0060]Gl = gml*RLoad(5)
[0061 ] gml代表NMOS管Ml或NMOS管M2的小信號跨導(它們的跨導相同)，RLciad代表NMOS管M3和M4，PMOS管M5和M6，和差分電感LI工作時等效電阻值，其表達式:
[0062]RLoad = Rli//Rm5+Rm3(6)
[0063]Rli代表差分電感LI的等效電阻值，Rm5、Rm3分別是PMOS管M5和匪OS管M3的等效電阻。
[0064]G2則可以表達為:
[0065]G2 = A*Gi(7)
[0066]A代表電容構(gòu)成的輔助放大器的放大倍數(shù)，如公式(3)；
[0067 ]利用電路的疊加原則，電路的最終電壓增益G3可以表達為:
[0068]G3 = gml*(l+A)*RLoad(5)
[0069]NMOS管M3和M4對輸入和輸出有著隔離作用，同時也可以調(diào)整它們的柵極電壓；當柵極電壓為OV時即ro = 0V，使電路進入關(guān)閉P0WERD0WEN狀態(tài)，低噪聲放大器電路不工作，整個的電路電流為零，避免消耗能量。
[0070]本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器電路使用了55nm CMOS工藝，1.2V的電源供電。當￥81 = 67511^、￥82 = 1.2￥、￥83 = 1.2￥時晶體管機和]\12、]\17和]\18的偏置電流都為2.2511^。而]\15和M6的偏置電流為OA。
[0071]提取本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器集成電路版圖的寄生參數(shù)，進行仿真得到低噪聲放大器的增益曲線和噪聲指數(shù)曲線。圖3是本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器的增益結(jié)果曲線，曲線顯示在窄帶2.4GHZ-2.5GHz內(nèi)得到了24dB電壓增益。圖4是本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器的噪聲結(jié)果曲線，2.4GHz-2.5GHz的帶寬內(nèi)，其最大噪聲指數(shù)NFmax為3.3dB，出現(xiàn)在2.5GHz，帶內(nèi)最小噪聲指數(shù)約為2.9dB。同時，如果改變VB3的電壓，從O V到1.2V，低噪聲放大器的增益可以從-1OdB到24dB變換。
[0072]以上結(jié)果表明，本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器在1.2V供電條件下，工作電流為4.5mA，和現(xiàn)有的一般的共柵-共源結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器相比，該低噪聲放大器容易實現(xiàn)低電壓和低功耗應用，同時可以滿足增益變換的需求，更接近實際需要，并且，本發(fā)明實施例提供的低噪聲放大器只使用了一個電感，版圖的面積為630UmX400Um，與一般的低噪聲放大器的面積做比較，面積大大的減少，同時節(jié)約了芯片生產(chǎn)的成本。
[0073]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權(quán)利要求的保護范圍為準。
【主權(quán)項】
1.一種低噪聲放大器，其特征在于，包括: 輸入級，與通信接收機的天線連接，用于接收所述天線傳輸?shù)男盘枺?匹配級，與所述輸入級連接，所述天線傳輸?shù)男盘柾瑫r傳輸?shù)剿鲚斎爰壓退銎ヅ浼墸銎ヅ浼売糜谡{(diào)節(jié)電路的輸入匹配； 隔離級，與所述輸入級連接，用于防止輸出端的信號影響所述輸入級的信號； 負載級，與所述隔離級連接，用于所述天線傳輸?shù)男盘柾ㄟ^所述負載級輸出到所述輸出端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述輸入級包括:第一晶體管(Ml)的柵極通過第二電容(C2)耦合到第二晶體管(M2)的源極，所述第一晶體管(Ml)的源極連接輸入正端(VINP)，所述第二晶體管(M2)的柵極通過第一電容(Cl)耦合到所述第一晶體管(Ml)的源極，所述第二晶體管(M2)的源極連接到輸入負端(VINN)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述隔離級包括:第三晶體管(M3)的源極與所述第一晶體管(Ml)的漏極耦合，所述第三晶體管(M3)的漏極與第一輸出端(VOUTP)連接，第四晶體管(M4)的源極與所述第二晶體管(M2)的漏極耦合，所述第四晶體管(M4)的漏極與第二輸出端(VOUTN)連接。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述負載級包括:第五晶體管(M5)和第六晶體管(M6)的源極連接到電源(VDD)上，所述第五晶體管(M5)的漏極連接所述第一輸出端(VOUTP)，所述第六晶體管(M6)的漏極連接第二輸出端(VOUTN)，差分電感(LI)的中心抽頭連接到電源(VDD)上，一端連接所述第一輸出端(VOUTP)，另一端連接所述第二輸出端(VOUTN)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述匹配級包括:第七晶體管(M7)的漏極連接所述輸入正端(VINP)，所述第七晶體管(M7)的源極接地，第八晶體管(M8)的漏極連接所述輸入負端(VINN)，所述第八晶體管(M8)的源極接地。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的低噪聲放大器，其特征在于，包括:所述第一晶體管(Ml)、所述第二晶體管(M2)、所述第三晶體管(M3)、所述第四晶體管(M4)、所述第七晶體管(M7)和所述第八晶體管(M8)為NMOS晶體管。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的低噪聲放大器，其特征在于，包括:所述第五晶體管(M5)和所述第六晶體管(M6)為PMOS晶體管。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述低噪聲放大器的電壓增益可以表達為:G3 = gml*(l+A)*RLoad 其中，G3代表所述低噪聲放大器的電壓增益，gml代表所述第一晶體管(Ml)的小信號跨導，Ruiad由所述第三晶體管(M3)、所述第五晶體管(M5)和所述差分電感(LI)工作時的等效電阻值確定，A代表電容構(gòu)成的輔助放大器的放大倍數(shù)。
【文檔編號】H03G3/30GK105915181SQ201610141150
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月14日
【發(fā)明人】梅張雄, 程遠方
【申請人】北京聯(lián)盛德微電子有限責任公司