專利名稱：一種基于π型網(wǎng)絡(luò)帶有靜電放電保護(hù)的毫米波頻段接收機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻與毫米波集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及高可靠性、高性能的帶有靜電放電(ESD)保護(hù)的接收機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著CM0S(互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)高速無(wú)線通訊電路與系統(tǒng)的發(fā)展，和用戶對(duì)通信質(zhì)量和速度體驗(yàn)等要求的不斷提高，信息交換速率不斷增長(zhǎng)，尤其是室內(nèi)高速通信需求變得越來(lái)越為重要。據(jù)Mason預(yù)測(cè)，到2016年，全球無(wú)線通信數(shù)據(jù)量的80%將由室內(nèi)產(chǎn)生。在這樣的背景下，為突破低頻頻譜資源匱乏的瓶頸，無(wú)線通信進(jìn)入射頻、微波與毫米波通信時(shí)代，目前已經(jīng)達(dá)到毫米波與亞毫米波的V波段、W波段與D波段，其中以基于MGHz、 60GHz,77GHz和94GHz等波段的無(wú)線通信與雷達(dá)通信最具代表性，通信數(shù)據(jù)率將可以達(dá)到 Gbps (Giga-bit-per-second)及以上，因而吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界人士的廣泛關(guān)注。具體到工作在微波與毫米波波段的無(wú)線接收機(jī)系統(tǒng)，需要在滿足低成本、低功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益、低噪聲，以平衡整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)在高頻下的損耗與噪聲系數(shù)。同時(shí)，隨著CMOS工藝的發(fā)展，晶體管的柵氧化層厚度逐漸減小，擊穿電壓不斷降低，電路的靜電保護(hù)與可靠性設(shè)計(jì)和高頻輸入端寄生電容之間的矛盾給接收機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。例如，一個(gè)IOOfF的ESD保護(hù)電容在低頻下對(duì)電路的影響可以忽略不計(jì)，但在MGHz甚至更高的頻段下將引入一個(gè)66 Ω甚至更低的阻抗，這將嚴(yán)重影響接收機(jī)電路的整體性能。 傳統(tǒng)方法關(guān)于微波與毫米波接收機(jī)的設(shè)計(jì)更多地注重于寬帶與低噪聲設(shè)計(jì)，而有關(guān)ESD的設(shè)計(jì)往往是分開進(jìn)行，在保證射頻電路性能的情況下略加考慮或基本不考慮。相關(guān)工作見參考文獻(xiàn)((F. Vecchi, S. Bozzola, M. Pozzoni, D. Guermandi, E. Temporiti, M. Repossi, U.Decanis, A. Mazzanti, and F. Svelto, "A Wideband mm-ffave CMOS Receiver for Gb/ s Communications Employing Interstage Coupled Resonators,，，IEEE IS SCC Dig. Tech. Papers, Feb. 2010，pp. 220-221.》與《Τ· Yao，Μ. Gordon, K. Tang, K. Yau, M. -T. Yang, P. Schvan,and S.P.Voinigescu,"Algorithmic design of CMOS LNAs and Pas for 60-GHz radio，” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 42, no. 5, pp. 1044-1057, May 2007·》。高可靠性與高魯棒性的無(wú)線接收機(jī)系統(tǒng)，除了要求設(shè)計(jì)者在電路結(jié)構(gòu)上與改善寄生效應(yīng)上的創(chuàng)新之外，還需針對(duì)ESD保護(hù)電路這一接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題加以精心設(shè)計(jì)，妥善解決ESD保護(hù)電路與寄生電容之間的矛盾，保證整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的可靠性。目前應(yīng)用于射頻系統(tǒng)中的ESD保護(hù)電路主要有兩種形式。一種是通過(guò)引入LC 諧振回路或T-coil匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行ESD的阻抗屏蔽，相關(guān)研究見參考文獻(xiàn)《M. -D. Ker, C.-I. Chou, and C. -Μ. Lee, "A novel LC-tank ESD protection design for gigahertz RF circuits,，，in Proc. Radio Frequency Integr. Circuits Symp. (RFIC), Jun. 2003, pp. 115-118. ))> ((S. Galal and B. Razavi, "Broadband ESD protection circuits in CMOS technology, ”IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 38，no. 12，pp.2334—2340，Dec. 2003.》禾口《B. J. Huang, C. H. Wang, C. C. Chen, Μ. F. Lei, P. C. Huang, K. Y. Lin, and H. Wang. "Design and Analysis for a 6O-GHz Low-Noise Amplifier With RF ESD Protection,，，IEEE Trans. Microw. Theory Tech.，vol. 57，No. 2，pp. 298—305，F(xiàn)eb. 2009.》。另一種方式是Mf ESD保護(hù)電路中的寄生電容在輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中加以考慮，如參考文獻(xiàn)《M. -D. Ker and B.-J. Kuo,"Decreasing-size distributed ESD protection scheme for broadband RF circuits,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 53, No. 2, pp. 582-589, Feb. 2006.》 中采用了分布式電路架構(gòu)，但其中的傳輸線網(wǎng)絡(luò)即使在毫米波波段也會(huì)占用較大的芯片面積，實(shí)用性不強(qiáng)。因此，針對(duì)工作在微波與毫米波波段的無(wú)線接收機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，妥善解決ESD保護(hù)電路與接收機(jī)輸入高頻節(jié)點(diǎn)寄生電容之間的矛盾，是射頻電路設(shè)計(jì)中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，以保證整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性與靜電魯棒性。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種基于Π型網(wǎng)絡(luò)帶有ESD保護(hù)的毫米波頻段接收機(jī)，在同時(shí)實(shí)現(xiàn)較好的阻抗匹配與噪聲匹配的基礎(chǔ)上，保證低噪聲系數(shù)與高轉(zhuǎn)換增益，以實(shí)現(xiàn)商用集成電路標(biāo)準(zhǔn)的士2kV HBM(人體模型 Human-Body Model)的靜電魯棒性，提高整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提出了一種基于Π型網(wǎng)絡(luò)帶有ESD保護(hù)的毫米波頻段接收機(jī)其特征在于，采用零中頻架構(gòu)，用兩個(gè)混頻器分別產(chǎn)生I和Q兩路信號(hào)輸出，該接收機(jī)包括由反偏二極管組成的ESD保護(hù)電路、兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器(Low Noise Amplifier :LNA)、I支路和Q支路的混頻器(Mixer)、I支路和Q支路的可變?cè)鲆娣糯笃?(Variable Gain Amplifier :VGA)、巴倫和由反偏二極管組成的輸出ESD保護(hù)電路；各部分電路的連接關(guān)系如下ESD保護(hù)電路與LNA串聯(lián)，將輸入射頻信號(hào)低噪聲放大，ESD保護(hù)電路的另一端為輸入端、LNA的另一端接兩個(gè)支路的I、Q混頻器公共輸入端；巴倫將輸入單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，其輸入端為L(zhǎng)O端、輸出端接I支路混頻器的本振信號(hào)兩個(gè)輸入端；I、Q 兩路混頻器將由LNA輸出的射頻信號(hào)下變頻到零中頻，其輸出端分別接2個(gè)支路的可變?cè)鲆娣糯笃鞯妮斎攵?，可變?cè)鲆娣糯笃饔脕?lái)實(shí)現(xiàn)I、Q兩支路上信號(hào)增益的調(diào)節(jié)，可變?cè)鲆娣糯笃鬏敵龆私?jīng)ESD保護(hù)電路后接到電路的最終輸出端。所述的帶有ESD保護(hù)電路的LNA可包括4個(gè)nMOS管M^M2J3和M4,兩個(gè)ESD上拉二極管Dnl和Dn2，兩個(gè)ESD下拉二極管Dpl和Dp2，5個(gè)電感Lg、Ls、Ldl、Ld2和Lp，3個(gè)隔直電容 CpA1和(；2 ；其連接關(guān)系為電感Lg的一端接輸入端，另一端接nMOS管M1的柵端；兩個(gè)ESD 上拉二極管Dnl和Dn2的公共端接電源VDD，另外兩端分別接Lg的兩端。兩個(gè)ESD下拉二極管Dpl和Dp2的公共端接GND，另外兩端分別接Lg的兩端；nMOS管M1源極接電感Ls的一端， 電感Ls的另一端接GND ；nMOS管M2源極接M1的漏極，柵極接VDD，M2的漏極接電感Ldl的一端，Ldl的另一端接電源VDD。電感Lp的一端接M1的漏極，另一端接隔直電容Cp的一端，Cp 的另一端接地GND ;M2的漏極接隔直電容Cca的一端，Ccl的另一端接nMOS管M3的柵極；M3 的源極接地GND，漏極接nMOS管M4的源極，M4的柵極接電源VDD，M4的漏極接電感Ld2的一端，Ld2的另一端接電源VDD ;M4的漏極接隔直電容C。2的一端，Cc2的另一端接混頻器的輸入端。
本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及有益效果本發(fā)明提出的基于Π型網(wǎng)絡(luò)帶有ESD保護(hù)的毫米波頻段接收機(jī)實(shí)現(xiàn)了較高的峰值轉(zhuǎn)換增益，并且在21. 5GHz到25GHz的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較低的插入損耗，體現(xiàn)了很好的阻抗匹配特性。保證了較好的噪聲指標(biāo)滿足了商用集成電路的ESD保護(hù)要求，驗(yàn)證了電路的ESD
可靠性。與同類接收機(jī)相比，利用本發(fā)明提出的基于Π型網(wǎng)絡(luò)帶有ESD保護(hù)的MGHz毫米波頻段接收機(jī)在高增益和低功耗上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并具有較好的線性度，而噪聲系數(shù)并沒(méi)有明顯的降低，ESD保護(hù)電路的可靠性達(dá)到了商用士2kV的標(biāo)準(zhǔn)，在同類基于CMOS工藝的工作中為目前最好的指標(biāo)，從而驗(yàn)證了本發(fā)明的正確性、實(shí)效性和針對(duì)商用集成電路標(biāo)準(zhǔn)的ESD魯棒性。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的帶有ESD保護(hù)的MGHz毫米波頻段無(wú)線接收機(jī)的電路原理圖；圖2為接收機(jī)中采用的帶有Π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)ESD保護(hù)電路的LNA的電路原理圖；圖3為在本振信號(hào)OdBm，IF頻率IOOMHz時(shí)接收機(jī)插入損耗與轉(zhuǎn)換增益的測(cè)試結(jié)果；圖4為在本振信號(hào)OdBm，IF頻率IOOMHz時(shí)接收機(jī)噪聲系數(shù)的測(cè)試結(jié)果；圖5為在本振信號(hào)OdBm，IF頻率IOOMHz時(shí)接收機(jī)IdB壓縮點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和特點(diǎn)更加清楚明確，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明與描述。本發(fā)明提出了一種基于Π型網(wǎng)絡(luò)帶有ESD保護(hù)的毫米波頻段接收機(jī)，采用零中頻架構(gòu)，采用兩個(gè)混頻器分別產(chǎn)生I和Q兩路信號(hào)輸出，如圖1所示，該接收機(jī)包括由兩個(gè)反偏二極管組成的ESD保護(hù)電路I、二級(jí)放大結(jié)構(gòu)的LNA II (其每級(jí)具體結(jié)構(gòu)如圖2所示)、 I支路和Q支路的2個(gè)混頻器III、I支路和Q支路的可變?cè)鲆娣糯笃鱅V、巴倫V和由反偏二極管組成的輸出ESD保護(hù)電路VI。其中混頻器和可變?cè)鲆娣糯笃鞑捎脴?biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)將毫米波頻段的高頻信號(hào)下變頻至零中頻，而后輸出至后續(xù)基帶電路解調(diào)。各部分電路的連接關(guān)系如下ESD保護(hù)電路I與LNA II串聯(lián)，將輸入射頻信號(hào)低噪聲放大，ESD保護(hù)電路的另一端(左端)為輸入端in、LNA II另一端(右端)接兩個(gè)支路的I、Q混頻器公共輸入端101 ；巴倫將輸入單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，其輸入端為L(zhǎng)O端、 輸出端接I支路混頻器的本振信號(hào)輸入端102和103。I、Q兩路混頻器III將由LNA輸出的射頻信號(hào)下變頻到零中頻，其輸出端分別接2個(gè)支路的可變?cè)鲆娣糯笃?Variable Gain Amplifier :VGA)的輸入端，VGA用來(lái)實(shí)現(xiàn)I、Q兩支路上信號(hào)增益的調(diào)節(jié)，其輸出端經(jīng)ESD保護(hù)電路VI后接到電路的最終輸出端out。所述的帶有ESD保護(hù)電路的LNA，其電路的實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖2所示包括4個(gè)nMOS 管Mp M2, M3和M4,兩個(gè)ESD上拉二極管Dnl和Dn2，兩個(gè)ESD下拉二極管Dpl和Dp2，5個(gè)電感Lg、Ls、Ldl、Ld2和Lp，3個(gè)隔直電容Cp、Ccl和C。2 ；其連接關(guān)系為電感Lg的一端接輸入端，另一端接nMOS管M1的柵端；兩個(gè)ESD上拉二極管Dnl和Dn2的公共端接電源VDD，另外兩端分別接Lg的兩端。兩個(gè)ESD下拉二極管Dpl和Dp2的公共端接GND，另外兩端分別接Lg的兩端；nMOS管M1源極接電感Ls的一端，電感Ls的另一端接GND ；nMOS管M2源極接M1的漏極， 柵極接VDD，M2的漏極接電感Ldl的一端，Ldl的另一端接電源VDD。電感Lp的一端接M1的漏極，另一端接隔直電容Cp的一端，Cp的另一端接地GND ;M2的漏極接隔直電容Cca的一端， Ccl的另一端接nMOS管M3的柵極；M3的源極接地GND，漏極接nMOS管M4的源極，M4的柵極接電源VDD，M4的漏極接電感Ld2的一端，Ld2的另一端接電源VDD ;M4的漏極接隔直電容Cc2 的一端，Cc2的另一端接混頻器的輸入端。該電路結(jié)構(gòu)將接收機(jī)中LNA模塊和ESD保護(hù)電路在整個(gè)設(shè)計(jì)中協(xié)同考慮，把ESD 寄生電容(二極管Dnl AfDpl和Dp2上的電容)分解為Π型網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)電路的阻抗匹配和噪聲匹配設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的ESD阻抗屏蔽法相比，該結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)電路匹配的同時(shí)降低了信號(hào)路徑上的損耗，提高了電路增益并降低了噪聲系數(shù)。本發(fā)明采用0. 13 μ m RF-CMOS工藝針對(duì)工作在MGHz毫米波頻段的無(wú)線接收機(jī)電路為實(shí)施例，其電路原理如圖1、2所示，其中射頻信號(hào)經(jīng)LNA放大通過(guò)零中頻的方式變頻到基帶信號(hào)，混頻器的本振信號(hào)LO由片外信號(hào)源提供，并經(jīng)片上巴倫轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，基帶信號(hào)經(jīng)VGA放大到基帶信號(hào)幅度，其增益可在_5dB到IOdB之間調(diào)整，0IP3大于lOcffim。本實(shí)施例中帶有ESD保護(hù)電路的LNA關(guān)鍵參數(shù)與指標(biāo)于下表中列出
權(quán)利要求
1.一種基于Π型網(wǎng)絡(luò)帶有ESD保護(hù)的毫米波頻段接收機(jī)，其特征在于，采用零中頻架構(gòu)，用兩個(gè)混頻器分別產(chǎn)生I和Q兩路信號(hào)輸出，該接收機(jī)包括由反偏二極管組成的ESD 保護(hù)電路、兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)的LNA、I支路和Q支路的混頻器、I支路和Q支路的可變?cè)鲆娣糯笃?、巴倫和由反偏二極管組成的輸出ESD保護(hù)電路；各部分電路的連接關(guān)系如下ESD保護(hù)電路與LNA串聯(lián)，將輸入射頻信號(hào)低噪聲放大，ESD保護(hù)電路的另一端為輸入端、LNA的另一端接兩個(gè)支路的I、Q混頻器公共輸入端；巴倫將輸入單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，其輸入端為L(zhǎng)O端、輸出端接I支路混頻器的本振信號(hào)兩個(gè)輸入端；I、Q兩路混頻器將由LNA輸出的射頻信號(hào)下變頻到零中頻，其輸出端分別接2個(gè)支路的可變?cè)鲆娣糯笃鞯妮斎攵?，可變?cè)鲆娣糯笃饔脕?lái)實(shí)現(xiàn)I、Q兩支路上信號(hào)增益的調(diào)節(jié)，可變?cè)鲆娣糯笃鬏敵龆私?jīng)ESD保護(hù)電路后接到電路的最終輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的接收機(jī)，其特征在于，所述的帶有ESD保護(hù)電路的LNA包括4個(gè) nMOS管禮、M2、M3和M4,兩個(gè)ESD上拉二極管Dnl和Dn2，兩個(gè)ESD下拉二極管Dpl和Dp2，5個(gè)電感Lg、Ls、LdlLd2和Lp，3個(gè)隔直電容CpCcl和C。2 ；其連接關(guān)系為電感Lg的一端接輸入端， 另一端接nMOS管M1的柵端；兩個(gè)ESD上拉二極管Dnl和Dn2的公共端接電源VDD，另外兩端分別接Lg的兩端。兩個(gè)ESD下拉二極管Dpl和Dp2的公共端接GND，另外兩端分別接Lg的兩端；nMOS管M1源極接電感Ls的一端，電感Ls的另一端接GND ；nMOS管M2源極接M1的漏極， 柵極接VDD，M2的漏極接電感Ldl的一端，Ldl的另一端接電源VDD，電感Lp的一端接M1的漏極，另一端接隔直電容Cp的一端，Cp的另一端接地GND ;M2的漏極接隔直電容Ccl的一端，Cca 的另一端接nMOS管M3的柵極;M3的源極接地GND，漏極接nMOS管M4的源極,M4的柵極接電源VDD，M4的漏極接電感Ld2的一端，Ld2的另一端接電源VDD ;M4的漏極接隔直電容Ce2的一端，Cc2的另一端接混頻器的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于Π型網(wǎng)絡(luò)帶有靜電放電保護(hù)的毫米波頻段接收機(jī)，屬于射頻與毫米波集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，該接收機(jī)包括由反偏二極管組成的ESD保護(hù)電路、兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)的LNA、I支路和Q支路的混頻器、I支路和Q支路的可變?cè)鲆娣糯笃?、巴倫和由反偏二極管組成的輸出ESD保護(hù)電路；各部分電路的連接關(guān)系如下ESD保護(hù)電路與LNA串聯(lián)，ESD保護(hù)電路的另一端為輸入端、LNA的另一端接兩個(gè)支路的I、Q混頻器公共輸入端；巴倫輸入端為L(zhǎng)O端、輸出端接I支路混頻器的本振信號(hào)兩個(gè)輸入端；I、Q輸出端分別接2個(gè)支路的可變?cè)鲆娣糯笃鞯妮斎攵?，可變?cè)鲆娣糯笃鬏敵龆私?jīng)ESD保護(hù)電路后接到電路的最終輸出端。本發(fā)明可以保證接收機(jī)的電路靜電可靠性，并提高接收機(jī)寬帶輸入匹配、高增益、低噪聲的整體性能。
文檔編號(hào)H04B1/16GK102255626SQ20111018360
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者張雷, 王洪瑞, 王燕 申請(qǐng)人:清華大學(xué)