一种无电感器型宽带低噪声跨导放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种低噪声跨导放大器设计技术。
【背景技术】
[0002] 今天，软件无线电技术变得越来越普及，只需要在基带软件协议层进行配置，满足 不用通信协议需求的各个标准得以灵活地彼此兼容共存于一套硬件设备平台上。对应地， 对宽带射频收发技术的研发变得日益迫切。为了尽可能降低硬件成本，实现单芯片集成，图 1(a)所示的传统收发机的声表面波滤波器（SAW)显得格外臃肿。近来，图1(b)所示的无 SAW收发机结构被创新性地提出，并很快成为业界关注的焦点。为了获得好的抗阻塞干扰能 力，无SAW接收机设计抛弃了传统的电压模式方法，转而采用了新颖的电流模式设计理念。
[0003] 随着射频集成电路工作频率越来越高，在低压低功耗的应用环境中，传统的电压 模式电路已不能很好地应对电路信号的处理，非线性等缺点逐渐暴露出来。而以电流为信 号变量表征载体的电流模式电路可以解决电压模式电路在速度、带宽、低压、低功耗方面的 瓶颈。近年来，电流模式电路在模拟/混合信号处理中的潜在优势正逐渐被挖掘，并逐渐渗 透到射频集成电路设计技术领域中来。
[0004] 无SAW接收机核心电路单元结构如图2所示，它包括低噪声跨导放大器、电流换向 型无源混频器、基带滤波器为组成单元。原理上通过低噪声跨导放大器将阻塞干扰转化为 电流信号，阻塞电流信号在混频器后面的基带滤波器处得以消除。也注意到，该跨导放大 器位于接收链路的第一级，其噪声至关重要，所以在宽带内的噪声优化问题又构成了无SAW 接收机的另一难点。此外，低噪声的获得也不能用大功耗来交换，因为低功耗一直是芯片设 计的基本出发点。
[0005] 迄今为止，对低噪声跨导放大器的研发普遍借鉴了低噪声放大器的设计技术。 典型代表如图3所示，为美国德州农工大学使用噪声消除技术设计的基于电压域放大 的低噪声跨导放大器（H.M.Geddada,et.al.，"Wide-bandinductorlesslow-noise transconductanceamplifierswithhighlarge-signallinearity, "IEEEtrans. microwavetheoryandtechn.，vol. 62,no. 7, 2014)。该研宄取得了优越的噪声性能，以及 良好的线性特性。但是该电路结构存在较多的电压-电流转换，制约了其线性性能。也注 意到荷兰代尔夫特大学的研宄者使用本振信号的开关控制来实现了一个具有带通特性的 负阻选频网络（对于带内信号表现出高阻，对带外阻塞干扰表现为低阻特性。），研宄者将 其嵌入到低噪声跨导放大器中，取得了很好的阻塞干扰抑制，如图4所示（M.Mehrp〇〇and R.BogdanStaszewski，"AHighlySelectiveLNTACapableofLarge-SignalHandling forRFReceiverFront-Ends，''IEEERadioFrequencyIntegratedCircuitsSymposium, pp. 185-188, 2013)。不过此结构需要本振信号的数字逻辑产生结构，增加了系统的功耗开 销；负载网络处的电压高阻节点会产生电流-电压的非线性转化，Cascode晶体管的使用又 消耗了电压静空间，不利于线性度提升。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够获得低噪声指数、高线性、低功耗、 又具有抗阻塞干扰能力的宽带低噪声跨导放大器。
[0007]本发明采用以下技术手段解决上述技术问题的：一种无电感器型宽带低噪声跨导 放大器，其结构如图5所示，包括左侧电路与右侧电路，左、右侧电路镜像对称结构，该放大 器又具有上下NMOS/PMOS互补镜像对称特点；所述左、右侧电路均包括呈互补对称的第一 共栅输入级和第二共栅输入级、呈互补对称的第一电流镜放大级和第二电流镜放大级、呈 互补对称的第一噪声消除辅助级和第二噪声消除辅助级、以及负载级；
[0008] 所述第一共栅输入级包括NMOS晶体管札，第一电流镜放大级包括，所 述第一噪声消除辅助级包括NMOS晶体管M7;所述第二共栅输入级包括PMOS晶体管M2，第二 电流镜放大级包括NMOS管M5、M6，所述第二噪声消除辅助级包括PMOS晶体管M8;所述负载 级包括电阻器M立于所述左侧电路的器件分别记为左Mi、左M2、左M3、左M4、左M5、M6、左M7 及左M8，位于所述右侧电路的器件分别记为右％、右M2、右M3、右M4、右M5、M6、右M7及右M8;
[0009] 所述共栅输入晶体管左Mi、右札的源极分别连接射频输入端口Vin+、Vin_，其栅极均 连接到偏置电压vbl;晶体管左Mi的漏极连接至晶体管左M3的漏极，且左M3的漏极标记为 节点X;
[0010] 所述晶体管左M3的漏极与其栅极连接，其源极连接至电源VDD;所述晶体管左M4的 栅极连接至左M3的栅极，其源极连接至电源VDD;所述晶体管左M4、右M4的漏极分别连接到 输出端□ 1_+、Uj所述晶体管左M4的栅极通过中和电容CnM连接至右M4的漏极，右M4的 栅极通过中和电容Cntal'连接至左仏的漏极；
[0011] 所述NMOS管左M7、右M7的源极均连接至地，二者栅极分别通过一个隔直电容连接 至输入端口vin+、vin_，二者栅极分别通过一个偏置电阻连接至偏置电压vb3，二者漏极分别连 接至输出口
[0012] 所述第二共栅输入级、第二电流镜放大级、第二噪声消除辅助级的结构与其呈互 补镜像的相应结构的连接关系相同，其中晶体管左M2相当于左Mi，M5、M6分别相当于M3、M4， M8相当于M7,Cnta2、（^2'分别相当于Cntal、CnM' ；节点Y为节点X的上下镜像对称节点；其 中，偏置电压Vb2为晶体管M2提供直流偏置。
[0013] 作为优化的结构，本发明一种无电感器型宽带低噪声跨导放大器还包含了共模反 馈电路（CMFB)，该共模反馈电路的两个输入端连接到输出端口Iwt+、1__，所述CMFB通过检 测输出端口 的共模电压，并与VDD/2的参考电压做比较，得到的误差信号通过偏置电 阻反馈连接到M8的栅极，进行动态调整，使得I_的静态偏置电压稳定在VDD/2附近，以获得 好的线性摆幅。
[0014] 如图5所示，低噪声跨导放大器的差分信号Vin+由左侧输入，然后分为两路的信号 流向：主路径上，经过左侧第一共栅输入级转化为电流信号，然后经过左侧第一电流镜放大 级的放大作用、信号传递到输出端口Iwt+;辅助路径上，信号Vin+由左侧输入，经过左侧第一 噪声消除辅助级转为信号电流传递到输出节点1。_;两条路径的信号电流进行同相叠加流 入负载电阻器同理，差分信号Vin+在互补镜像对称下半部分，也分为两路的信号流向： 主路径上，经过左侧第二共栅输入级转化为电流信号，然后经过左侧第二电流镜放大级的 放大作用、信号传递到输出端口Iwt+;辅助路径上，信号Vin+由左侧输入端口输入，经过左侧 第二噪声消除辅助级转为信号电流传递到输出1。_;两条路径的信号电流进行同相叠加流 入左侧负载电阻器
[0015] 如图5所示，低噪声跨导放大器的差分信号Vin_由右侧输入，然后分为两路的信号 流向：主路径上，经过右侧第一共栅输入级转化为电流信号，然后经过右侧第一电流镜放大 级的放大作用、信号传递到输出端口Iwt_;辅助路径上，信号Vin_由右侧输入，经过右侧第一 噪声消除辅助级转为信号电流传递到输出节点1。^;两条路径的信号电流进行同相叠加流 入负载电阻器同理，差分信号Vin_在互补镜像对称下半部分，也分为两路的信号流向： 主路径上，经过右侧第二共栅输入级转化为电流信号，然后经过右侧第二电流镜放大级的 放大作用、信号传递到输出端口 1。^;辅助路径上，信号Vin_由右侧输入端口输入，经过右侧 第二噪声消除辅助级转为信号电流传递到输出1。^;两条路径的信号电流进行同相叠加流 入右侧负载电阻器
[0016] 本发明一种无电感器型宽带低噪声跨导放大器的噪声消除原理可以如是理解：如 图5所示，Mi的沟道热噪声在节点X产生负极性噪声电压，该噪声电压经电流镜113^4的放 大，噪声电压被极性翻转转为正极性噪声电压传递到输出端口 1。_;同时Mi的沟道热噪声 在输入端口Vin+产生正极性噪声电压，进而经过M7的反向转化，转为负极性噪声电压出现在 输出U+;这两个噪声电压信号为反向特性，通过设计合理的电流镜比例系数，沟道热 噪声在输出端口得以完全消除。
[0017] 本发明一种无电感器型宽带低噪声跨导放大器的高线性原理可以如是理解：电路 主路径为电流模式的信号放大，信号不易产生压缩，辅助路径中的M7、M8S主要的非线性 源，基于导数抵消原理，M7、M8的互补特性可以部分消除非线性，进而提升电路的小信号线性 度。而且，辅助路径中的馬1 8又构成推挽结构，通过减小管子的过驱动电压，可以使得两个 管子工作在Class-AB状态，使得效率和输出功率得以提升，进而获得高的PldB。
[0018] 本发明一种无电感器型宽带低噪声跨导放大器的宽带原理可以如是理解：电路的 共栅输入方式自身具备宽带特点，电容中和技术的应用可以减小电流镜处密勒电容的带宽 限制效应。电路采用NMOS/PMOS镜像互补结构，取得了电流复用效果，节约了电路功耗。无 电感器的设计使得芯片面积最小化，和荷兰代尔夫特大学的电路结构相比较，具备面积上 的优势。
[0019] 本发明的有益效果是：
[0020] 本发明提出的宽带CMOS低噪声跨导放大器；其电流模式放大原理使之兼有良好 的线性度、抗阻塞干扰能力特性；其噪声消除特性使得该电路具有良好的噪声性能，