专利名称：一种应用于uwb系统的单端输入差分输出的低噪声放大器的制作方法
技术领域：
本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，具体涉及一种应用于UWB 3.1 10. 6G标准的具有单端转双端功能的低噪声放大器(Single-to-differential LNA)。可用 于移动通信、无线宽带网络以及无线数据传输等技术标准的射频信号接收机芯片。
背景技术：
近年来，随着各种移动通信系统和无线数据传输技术如IEEE802. lla/b/g、WLAN、 UffB等的飞速发展，对高性能的射频信号接收机的需求也在加大。低噪声放大器是接收器 的第一级模块，它与接收机天线直接相连，将从天线接收到的微弱信号进行放大，然后再将 放大后的信号传输给后级的Mixer进行下一步的处理。一般从抑制来自电源、衬底的噪声 和其他干扰源的方面考虑LNA都会采用差分结构，但这样一方面在实际的系统中LNA不能 和天线直接相连，因为天线是单端输出的，另一方面在测试电路时也要在LNA前加入balim 以实现将信号单端转双端的功能。然而balim的引入将会带来较大的损耗，同时引入一定 的噪声，造成整机性能的下降。尤其是对于现在市场情况来说，有着较低损耗的高性能片外 balim通常都是应用于窄带的，用于宽带的balim通常都有着较高的输入损耗，同时也会增 加整个链路的噪声。因此，研究一个将balun和LNA的功能合二为一的电路将是一个不错 的选择。传统技术中单转双电路的实现通常采用图1所示的方式。但由于电路结构本身的 限制，要想实现超宽频如UWB的频段是非常困难的。首先是输入匹配方面，对于图1所示的传统结构，在共栅管的源端和共源管的栅 端通过一个电阻接地，这样输入匹配将由电阻Rb、共栅管跨导gm以及输入端寄生电容(包 括pad电容，MOS管寄生电容，连线寄生电容等)决定。由于输入端寄生电容一般较大，因 此当频段较高时，使得输入阻抗Zin(如表达式1所示)产生了一个极点，从而难以实现超宽 频的匹配。<formula>formula see original document page 3</formula>
式(1)中Cin表示输入端寄生电容，包括pad电容，MOS管寄生电容，连线寄生电容 等，gm。g表示输入共栅管的跨导。其次是增益方面，对于图1所示的传统结构，其负载采用的是单纯的电阻负载。在 高频的情况下，由于负载端寄生电容产生的极点的作用，增益会有较大的下降，从而限制增 益的带宽，使之难以实现超宽频范围内的增益平坦。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明设计了 一种低噪声放大器，可应用于满足UffB(3. 1 10. 6GHz)标准的接收机中。该发明除了能够满足一般低噪声放大器的低噪声、高增益、增益平坦等的要求外还要能够实现balim的功能，即实现一个信号单端输入、双端 输出的功能。本发明设计的低噪声放大器，其结构图如图2所示。它由输入寄生参数等效级、输 入级、负载级三部分组成。其单端输入为Vin，差分输出为v。ut ；其中所述的输入寄生参数等效级由串联电感Lb。nding和并联电容Cpad组成，串联电感模 拟bonding线的寄生电感，并联电容模拟PAD的寄生电容和ESD电路的寄生电容；串联电感 和并联电容与芯片内的输入隔直电容Cca相连；所述的输入级由共栅管M。g、输入电感L。g和共源管M。s组成，其中共栅管和输入电 感在共栅支路，共源管在共源支路；共栅管和共源管既作为输入管，同时也作为放大管，起 到放大的作用；共栅管的源极和输入隔直电容Ccl以及另一隔直电容c。2相连，同时通过输 入电感接地，共源管的栅极和另一隔直电容(;2相连，源极直接接地；所述负载级包括串联电阻R。g、R。jn串联差分电感L，串联电感用来提高带宽；其中 串联电阻R。g在共栅支路，该串联电阻R。g的一端和共栅管的漏端相连，构成输出的正端，另 一端和串联差分电感相连；串联电阻R。s在共源支路，该串联电阻R。s的一端和共源管的漏 端相连，构成输出的负端，另一端和串联差分电感相连；串联差分电感的另外两端分别连接 衬底SUB和电源VDD。相对于传统的只能用于较低频带的结构，本发明主要做了如下改进首先，输入级采用了一个输入电感。如图2中所示，此时输入阻抗将由输入电感、 共栅管跨导gm以及输入端寄生电容(包括pad电容，MOS管寄生电容，连线寄生电容等)决 定。由于输入电感的引入，将在很大程度上抵消输入端寄生电容带来的影响，使输入匹配可 以在超宽频的频带内保持较好的结果。如表达式(1)所示<formula>formula see original document page 4</formula>(2)式(2)中Cin表示输入端寄生电容，包括pad电容，MOS管寄生电容，连线寄生电容 等，gm。g表示输入共栅管的跨导。当采用了输入电感来改善输入匹配后，共源管轧3和共栅支路之间就需要使用隔 直电容C。，对共源管M。s采取另外加偏置，这样虽然在版图时会由于电容C。而引入一定的额 外寄生电容，但这样消除了共栅支路对共源管的偏置电压的限制，使得对共源管M。s的工作 点的调整有了很大的自由度，而这一点在本结构中有着很重要的作用。如附图3的噪声抵 消原理图所示，当共栅支路和共源支路的增益相等时，共栅管的噪声在输出端可以被抵消。 根据表达式(3)，共源管M。s的跨导越大，电路噪声越小，提高M。s的跨导可以通过提高共源 管M。s的宽长比或是增大M。s的过驱动电压来实现，然而共源管M。s的宽长比较大时，会引入 较大的栅源寄生电容，大大影响输入匹配。因此在确定共源管M。s的宽长比后，可以通过调 整M。s的偏置电压来调整M。s的跨导，从而改善电路的噪声性能。<formula>formula see original document page 4</formula> 其次，负载级采用串联差分电感的方式。在负载端串联电感后，经过仔细的电路调 整，可以在适当的频点产生一个零点，从而可以抵消一部分由输出端寄生电容所导致的极点的作用。当不考虑负载电感时，增益如表达式(4)所示
<formula>formula see original document page 5</formula>式(4)中C。g和C。s分别表示共栅支路和共源支路的负载端寄生电容。可见C。g和
c。s分别在其各自支路产生一个极点，限制了带宽。当加入电感后，增益将变为Sfm ；^^形
式，经过合适的取值，可以在合适的频点产生一个零点，从而可以提高高频处增益，这样就 可以改善增益平坦度，进而扩展带宽，从而可以实现用于UWB全频段的单转双LNA。本发明LNA结构简单，功耗低。同时由于输入端及负载端采用电感，可以实现超宽 频范围的很好的匹配和增益平坦，在此基础上还实现了较低的噪声和较高的线性度。此外， 该电路还实现了单端转双端的功能，便于和天线直接相连，促进了芯片的进一步集成。
图1普通单转双结构LNA的结构示意图。图2本发明单转双LNA电路结构示意图。图3噪声抵消原理示意图。图4输出测试buffer示意图。图5本设计具体实施实例的输入匹配仿真图。图6本设计具体实施实例的增益仿真图。图7本设计具体实施实例的噪声仿真图。图8本设计具体实施实例的输入参考三阶交调点仿真图。
具体实施例方式如图2中本发明的电路结构示意图所示，输入信号先经过串联bonding电感 Lbmding (模拟芯片bonding时bonding线所引入的寄生电感，在InH左右)和并联pad电容 Cpad(模拟芯片的PAD和ESD电路所引入的寄生电容，在IOOfF左右)后经隔直电容Cel至共 栅支路和共源支路的输入点①。对于共栅支路，①经输入电感L。g接地，同时接输入共栅管 Mcg的源端，M。g的漏端为输出的正端，同时接负载电阻R。g，R。g的另一端接负载差分电感L的 一端。对于共源支路，①经隔直电容C。2接输入共源管M。s的栅端，同时M。s的栅端经偏置电 阻接一个偏置电压。M。s管的源端接地，漏端为输出的负端，同时接负载电阻R。s，R。s的另一 端接负载差分电感L的另一端。将该结构的单转双低噪声放大器应用于MB-OFDM UffB全频段(3 10G)的单转双 低噪声放大器电路中，其具体设计参数为Lbonding = 0. 8nH, Cpad = IOOfF, Ccl = Cc2 = 1. 4pF ；Lcg = 4. InH, L = 3. 5nH, Rcg = 280 Ω，Rcs = 150 ΩffMcg = 25um, ffMcs = 50um, LMcg = Lmcs = 130nm ；Vbl = Vb2 = 550mV ；其中共栅支路电流约为1. 5mA，共源支路电流约为3mA，总电流为4. 5mA,总功耗为5. 4mff0另外输出测试buffer使用源跟随器，其示意图如附图2所示，其中Wmi = Wm2 = 32um，ffM3 = Wm4 = 8um，Lmi = Lm2 = Lm3 = Lm4 = 130nm，Vb3 = 1. 2V, Vb4 = 900mV,电流约为 5mA,功耗为6mW。电路仿真结果如图5、图6、图7、图8所示，从图示中可以看出在频段3 IOG范围内，Sll < -IOdB, S21 在 15 13. 3dB，NF 在 4. 5 3. 7 之间，线性度 IIP3 约为 3. 8dBm。 可以看出，电路具有良好的宽带性能。
权利要求
一种应用于UWB系统的单端输入差分输出的低噪声放大器，其特征在于该低噪声放大器由输入寄生参数等效级、输入级、负载级三部分组成；其单端输入为Vin，差分输出为Vout；其中所述的输入寄生参数等效级由串联电感(Lbonding)和并联电容(Cpad)组成，串联电感模拟bonding线的寄生电感，并联电容模拟PAD的寄生电容和ESD电路的寄生电容；串联电感和并联电容与芯片内的输入隔直电容(Cc1)相连；所述的输入级由共栅管(Mcg)、输入电感(Lcg)和共源管(Mcs)组成，其中共栅管和输入电感在共栅支路，共源管在共源支路；共栅管和共源管既作为输入管，同时也作为放大管，起到放大的作用；共栅管的源极和输入隔直电容(Cc1)以及另一隔直电容(Cc2)相连，同时通过输入电感接地，共源管的栅极和另一隔直电容(Cc2)相连，源极直接接地；所述负载级包括串联电阻(Rcg、Rcs)和串联差分电感(L)，串联电感用来提高带宽；其中串联电阻(Rcg)在共栅支路，该串联电阻(Rcg)的一端和共栅管的漏端相连，构成输出的正端，另一端和串联差分电感相连；串联电阻(Rcs)在共源支路，该串联电阻(Rcs)的一端和共源管的漏端相连，构成输出的负端，另一端和串联差分电感相连；串联差分电感的另外两端分别连接衬底SUB和电源VDD。
全文摘要
本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，具体为一种单端输入差分输出的单转双CMOS低噪声放大器(LNA)，该低噪声放大器可以应用3.1～4.8GHz、3.1～10.6GHz的超宽带(UWB)射频前端中。它由输入寄生参数等效级、输入级、负载级三部分组成。其中输入寄生参数等效级由串联电感和并联电容组成，输入级由共栅管、输入电感和共源管组成，负载级由串联电阻和串联电感组成。本发明结构简单，功耗低，使用频带宽，除了实现一般宽带LNA的低噪声、高增益功能外，还实现了单端输入差分输出的功能。
文档编号H03F3/45GK101807883SQ201010141720
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月8日 优先权日2010年4月8日
发明者周锋, 张楷晨, 李宁 申请人:复旦大学