專利名稱：微分疊加射頻cmos低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微分疊加射頻CMOS低噪聲放大器，屬于集成電路設(shè)計(jì)及信號處理的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著射頻集成電路技術(shù)的發(fā)展迅速，日常生活中使用到了許多無線通信產(chǎn)品900MHz GSM移動電話、1.9GHz PCS個(gè)人通信系統(tǒng)以及2.4GHz藍(lán)牙通信產(chǎn)品等。射頻低噪聲放大器(RF LowNoise Amplifier，簡稱LNA)是這些產(chǎn)品中無線接收機(jī)模塊前端的重要部分。它的作用是將通過天線接收到的微弱信號進(jìn)行放大，以便接收機(jī)的后續(xù)模塊進(jìn)行處理。由于LNA是除了天線以外整個(gè)接收機(jī)，同時(shí)也是整個(gè)系統(tǒng)中最先處理無線信號的模塊，其性能對于整個(gè)接收機(jī)，甚至整個(gè)系統(tǒng)有著舉足輕重的影響。因此，提高LNA的各項(xiàng)指標(biāo)是十分必要的。
描述LNA性能的主要參數(shù)有正向放大倍數(shù)S21、輸入端匹配度S11、輸出端匹配度S22、反向隔離度S12、功耗、輸入線性度IP3和噪聲系數(shù)NF。由于這些參數(shù)相互關(guān)聯(lián)、相互制約，因此采用何種折衷方案來提高LNA的整體性能成了設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)。根據(jù)對國內(nèi)外研究的調(diào)研，附圖1所示的共源共柵結(jié)構(gòu)LNA是一種被廣泛采用的LNA電路結(jié)構(gòu)。這種電路結(jié)構(gòu)可以在正向放大倍數(shù)和噪聲系數(shù)之間折衷。但是，在功耗確定的情況下，這種電路結(jié)構(gòu)在正向放大倍數(shù)和線性度之間折衷存在著一定的不足，較大的正向放大倍數(shù)會導(dǎo)致放大器的線性度下降。為了確保天線接收到的微弱信號能得到足夠的放大，較大的正向放大倍數(shù)是必不可少的。但是，這會引起線性度的下降，結(jié)果造成LNA的輸出信號產(chǎn)生諧波失真，導(dǎo)致接收信號頻譜分量的相互干擾，從而影響到無線信號的正常接收。為了保證接收信號能夠被正確地編解碼，IEEE制定的無線通信協(xié)議，如802.11a/b/g對LNA的線性度有著明確的要求。
綜上所述，設(shè)計(jì)一種既有較大正向放大倍數(shù)又有較大線性度的LNA具有重大的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是推出一種微分疊加射頻CMOS低噪聲放大器(Derivative Superposition-LNA，簡稱DS-LNA)?；谠摲N結(jié)構(gòu)的LNA不僅具有傳統(tǒng)共源共柵結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，而且在獲得較大的正向放大倍數(shù)的同時(shí)，具有較大的線性度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)共源共柵LNA的不足之處。
為解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下的的技術(shù)方案。所述的微分疊加射頻CMOS低噪聲放大器是在傳統(tǒng)共源共柵LNA的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)工作在線性區(qū)的NMOS管，旨在抵消傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中共源極MOS管的高階跨導(dǎo)系數(shù)，從而在LNA的正向放大倍數(shù)和噪聲系數(shù)的指標(biāo)不受到影響的情況下，使LNA的線性度得到提高。
現(xiàn)結(jié)合附圖具體描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
一種微分疊加射頻CMOS低噪聲放大器，含Vdd端、Vbias1端、Vbias2端、Vbias3端、Vin端、Vout端和地線，Vdd端和地線跨接在電壓源+端和電壓源-端之間，Vbias1端、和Vbias3端分別與偏置電壓1端、偏置電壓2端和偏置電壓3端連接，Vin端和Vout端分別是該放大器的射頻信號輸入端和射頻信號輸出端，其特征在于，該放大器還含有第一MOS管M1，第二MOS管M2，第三MOS管M3，第一電感Lg，第二電感Ls1，第三電感Ls2，第四電感Ld，第五電感Lout，第一電容Cc1，第二電容Cc2，第三電容Cd，第四電容Cc3，第五電容Cc4和電阻Rd，第一MOS管M1，第MOS管M2，第三MOS管M3都是NMOS管，第一電感Lg與第一電容Cc1串聯(lián)后跨接在Vin端和第一MOS管M1的柵極之間，第二電容Cc2跨接在Vbias3端與Vbias1端之間，第一MOS管M1的柵極、第二MOS管M2的柵極和第三MOS管M3的柵極分別與Vbias1端、Vbias2端和Vbias3端連接，第二電容Cc2跨接在第一MOS管M1的柵極和第三MOS管M3的柵極之間，第二電感Ls1跨接在第一MOS管M1的源極和第三MOS管M3的源極之間，第三電感Ls2跨接在第三MOS管M3的源極和地線之間，第一MOS管M1的漏極、第二MOS管M2的源極和第三MOS管M3的漏極連接，第四電感Ld、第三電容Cd和電阻Rd並聯(lián)后跨接在第二MOS管M2的漏極與Vdd端之間，第四電容Cc3跨接在第二MOS管M2的漏極和第五電感Lout的一端之間，第五電容Cc4跨接在第五電感Lout與第四電容Cc3連接點(diǎn)和地線之間，第五電感Lout的另一端與Vout端連接。
在圖2中，在一定的偏置條件下，當(dāng)?shù)谝籑OS管M1的柵-源極之間加上一個(gè)小信號后，其輸出漏極電流可表示如下id(vgs)=g1vgs+g2vgs2+g3vgs3+......(1)]]>其中g(shù)1就是第一MOS管M1的小信號跨導(dǎo)系數(shù)，g2、g3...是第一MOS管M1的高階跨導(dǎo)，即漏極電流對輸入電壓信號的高階微分，它們是導(dǎo)致晶體管產(chǎn)生非線性的主要原因。根據(jù)LNA線性度(IP3)的定義，可采用下式表示AIP3=43|g1g3|...(2)]]>顯然，為了提高LNA的線性度，必須增加晶體管的小信號跨導(dǎo)g1，或減小晶體管的三階跨導(dǎo)系數(shù)g3，但是采用前者必然導(dǎo)致增加電路的功耗，這種方法并不可取。因此，本發(fā)明采用了后者。
圖3所示的是(1)式中的三個(gè)跨導(dǎo)系數(shù)g1、g2和g3?？梢钥闯?，g3在低偏置條件下，即線性工作區(qū)的值為正，在高偏置條件下，即飽和工作區(qū)的值為負(fù)。因此，可以采用兩個(gè)晶體管的辦法達(dá)到減小g3的目的，即讓一個(gè)晶體管工作在飽和區(qū)，讓另一個(gè)晶體管工作在線性區(qū)，從而達(dá)到兩個(gè)三階跨導(dǎo)系數(shù)相互抵消的目的，即通過兩個(gè)漏極電流對輸入電壓信號的三階微分的疊加，減小它們的代數(shù)和。鑒于減小LNA的噪聲系數(shù)，保證LNA的正向放大倍數(shù)，第一MOS管M1應(yīng)工作在飽和區(qū)。因此，應(yīng)該在圖1所示的電路中加上另外一個(gè)工作在線性區(qū)的MOS管，即圖2中的第三MOS管M3。
本發(fā)明能夠通過簡單的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對無線射頻信號在低噪聲的環(huán)境下進(jìn)行放大，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于現(xiàn)以比較靜態(tài)偏置電流為4.6mA、采用0.25μm CMOS工藝制造的微分疊加射頻CMOS低噪聲放大器與具有相同靜態(tài)偏置電流、相同制造工藝的傳統(tǒng)共源共柵極結(jié)構(gòu)射頻CMOS低噪聲放大器的性能說明之。
由上表可以看出，在相同偏置條件、相同功耗下，盡管犧牲了約為0.2dB的噪聲和約3.5dB的功率增益，本發(fā)明的低噪聲放大器的線性度增加了約6dBm。15.2dB的增益足以將微弱的無線射頻信號放大，使得系統(tǒng)中后續(xù)模塊可以對其正確處理，但是+1.8dBm的線性度可以進(jìn)一步減少放大信號的諧波失真，使其信號頻譜的純度變得更高，這樣基帶信號的誤碼率就變得更低了。


圖1為傳統(tǒng)的共源共柵射頻CMOS低噪聲放大器的電路圖。
圖2為本發(fā)明的微分疊加射頻CMOS低噪聲放大器的電路圖。
圖3為不同偏置條件下的MOS管的跨導(dǎo)系數(shù)曲線。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
實(shí)施例本實(shí)施例具有與圖2所示的電路完全相同的電路結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例的元器件和電路參數(shù)羅列如下第一電感Lg，第二電感Ls1和第三電感Ls2的電感量分別為9.15nH，0.6nH和0.8nH；第一電容Cc1和第二電容Cc2的電容量分別為50pF和50pF。第四電感Ld和第五電感Lout的電感量分別為14.5nH和10.3nH；第三電容Cd，第四電容Cc3和第五電容Cc4的電容量分別為200fF，50pF和572fF；電阻Rd的阻值為300歐姆；偏置電壓1端的電壓為690mV；偏置電壓2端的電壓為1.3V；偏置電壓3端的電壓為530mV。
下面詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案的工作原理。本發(fā)明的微分疊加射頻CMOS低噪聲放大器電路圖如圖2所示。偏置電壓1端是第一MOS管M1柵極電壓控制端，其電壓為690mV，偏置電壓2端是第二MOS管M2柵極電壓控制端，其電壓為1.3V，偏置電壓3端是第三MOS管M3柵極電壓控制端，其電壓為530mV。第一電感Lg，第二電感Ls1和第三電感Ls2的電感量分別為9.15nH，0.6nH和0.8nH。第一電容Cc1和第二電容Cc2的電容量分別為50pF和50pF。第一電感Lg，第二電感Ls1，第三電感Ls2，第一電容Cc1和第二電容Cc2組成輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，減小輸入信號反射度。第四電感Ld和第五電感Lout的電感量分別為14.5nH和10.3nH。第三電容Cd，第四電容Cc3和第五電容Cc4的電容量分別為200fF，50pF和572fF。電阻Rd的阻值為300歐姆。第四電感Ld，第五電感Lout，第三電容Cd，第四電容Cc3，第五電容Cc4和電阻Rd組成輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，減小輸出信號反射度。當(dāng)無線射頻信號作為輸入信號從Vin端輸入，第一MOS管M1將變化的電壓信號轉(zhuǎn)換成變化的電流信號，該電流信號與第三MOS管M3產(chǎn)生的電流信號一起流過作為電流跟隨器的第二MOS管M2，當(dāng)該電流通過輸出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，產(chǎn)生了變化的電壓信號，并從Vout端輸出。輸出電壓信號的幅度比輸入電壓信號的幅度大，輸入信號被放大了。
由于第三MOS管M3產(chǎn)生的三階跨導(dǎo)系數(shù)對第一MOS管M1產(chǎn)生的三階跨導(dǎo)系數(shù)有抵消作用，因此整個(gè)放大器的三階跨導(dǎo)系數(shù)變小了，即放大器的線性度提高了。同時(shí)，由于放大器的放大倍數(shù)主要取決于第一MOS管M1，而在減小整個(gè)放大器的三階跨導(dǎo)系數(shù)的過程中并沒有影響到第一MOS管M1的參數(shù)，因此整個(gè)放大器的正向放大倍數(shù)仍然可以保持較大的數(shù)值。
權(quán)利要求
1.一種微分疊加射頻CMOS低噪聲放大器，含Vdd端、Vbias1端、Vbias2端、Vbias3端、Vin端、Vout端和地線，Vdd端和地線跨接在電壓源+端和電壓源一端之間，Vbias1端、和Vbias3端分別與偏置電壓1端、偏置電壓2端和偏置電壓3端連接，Vin端和Vout端分別是該放大器的射頻信號輸入端和射頻信號輸出端，其特征在于，該放大器還含有第一MOS管(M1)，第二MOS管(M2)，第三MOS管(M3)，第一電感(Lg)，第二電感(Ls1)，第三電感(Ls2)，第四電感(Ld)，第五電感(Lout)，第一電容(Cc1)，第二電容(Cc2)，第三電容(Cd)，第四電容(Cc3)，第五電容(Cc4)和電阻(Rd)，第一MOS管(M1)，第二MOS管(M2)，第三MOS管(M3)都是NMOS管，第一電感(Lg)與第一電容(Cc1)串聯(lián)后跨接在Vin端和第一MOS管(M1)的柵極之間，第二電容(Cc2)跨接在Vbias3端與Vbias1端之間，第一MOS管(M1)的柵極、第二MOS管(M2)的柵極和第三MOS管(M3)的柵極分別與Vbias1端、Vbias2端和Vbias3端連接，第二電容(Cc2)跨接在第一MOS管(M1)的柵極和第三MOS管(M3)的柵極之間，第二電感(Ls1)跨接在第一MOS管(M1)的源極和第三MOS管(M3)的源極之間，第三電感(Ls2)跨接在第三MOS管(M3)的源極和地線之間，第一MOS管(M1)的漏極、第二MOS管(M2)的源極和第三MOS管(M3)的漏極連接，第四電感(Ld)、第三電容(Cd)和電阻(Rd)並聯(lián)后跨接在第二MOS管(M2)的漏極與Vdd端之間，第四電容(Cc3)跨接在第二MOS管(M2)的漏極和第五電感(Lout)的一端之間，第五電容(Cc4)跨接在第五電感(Lout)與第四電容(Cc3)連接點(diǎn)和地線之間，第五電感(Lout)的另一端與Vout端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微分疊加射頻CMOS低噪聲放大器，其特征在于，該放大器的元器件和電路參數(shù)羅列如下第一電感(Lg)，第二電感(Ls1)和第三電感(Ls2)的電感量分別為9.15nH，0.6nH和0.8nH；第一電容(Cc1)和第二電容(Cc2)的電容量分別為50pF和50pF。第四電感(Ld)和第五電感(Lout)的電感量分別為14.5nH和10.3nH；第三電容(Cd)，第四電容(Cc3)和第五電容(Cc4)的電容量分別為200fF，50pF和572fF；電阻(Rd)的阻值為300歐姆；偏置電壓1端的電壓為690mV偏置電壓2端的電壓為1.3V；偏置電壓3端的電壓為530mV。
全文摘要
一種微分疊加射頻CMOS低噪聲放大器，屬于集成電路設(shè)計(jì)及信號處理的技術(shù)領(lǐng)域。在傳統(tǒng)共源共柵LNA的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)工作在線性區(qū)的NMOS，旨在抵消傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中共源極MOS的高階跨導(dǎo)系數(shù)，從而使整個(gè)LNA在基本不影響正向放大倍數(shù)及噪聲系數(shù)的同時(shí)提高其線性度。其優(yōu)點(diǎn)為同時(shí)獲得較大的線性度和較高的正向放大倍數(shù)。本發(fā)明適用于1.9GHz PCS的無線接收模塊中，它能顯著提高無線信號的頻譜純度，降低基帶信號的誤碼率。
文檔編號H04B1/16GK1790894SQ20051011215
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者李勇, 金瑋, 景一歐, 賴宗聲 申請人:華東師范大學(xué)