专利名称：一种采用噪声抵消技术的超宽带低噪声放大器电路的制作方法
技术领域：
本发明为射频集成电路技术领域，具体涉及一种采用噪声抵消技术、高增益且有良好输入匹配的CMOS超宽带低噪声放大器电路的设计。
背景技术：
超宽带(UWB)技术起源于20世纪50年代末，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出，并倍受关注。UWB与常见的通信方式使用连续的载波不同，它采用极短的脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。这些脉冲所占用的带宽甚至高达几GHz，因此最大数据传输速率可以达到几百Mbps。在高速通信的同时，UWB设备的发射功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一，对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声，因此从理论上讲，UWB可以与现有无线电设备共享带宽。所以，UWB是一种高速而又低功耗的数据通信方式，它有望在无线通信领域得到广泛的应用。
美国联邦通信委员会(FCC)于2002年公布了允许民用的UWB频段，即3.1～10.6GHz，限制其发射功率(平均EIRP不超过-41.2dBm/MHz)，并对UWB信号做出了定义，即信号带宽大于500MHz或者信号带宽与载波频率之比大于0.2)。目前，在UWB系统的定义上存在两种方案，直接序列(DS-CDMA)和多带正交频分复用(MB-OFDM)，其都定位在无线个域网(WPAN)领域，数据传输速率在2米时达到480Mbps，在10米时也有110Mbps，这已经能够满足室内视频多媒体实时传输的要求。自2006年1月电气和电子工程师协会(IEEE)下的802.15.3a工作组解散以来，这两个标准走上了事实标准的竞争道路。前者以Freescale公司为核心，后者受到各大厂商的支持，如Intel，TI，Samsung，Philips，Nokia等。就目前的发展状况来说，Freescale于2006年退出了旨在推动其标准进程的UWB论坛组织(UWB-Forum)，并宣称将致力于把DS标准应用于无线USB中，并把自己的产品应用到部分多媒体设备上。后者成立的Wimedia联盟则将自己的标准作为一种物理实现技术推广，受到USB-IF，无线1394等组织的认可，在与蓝牙特别兴趣小组(SIG)合作后，该技术有了更大的应用平台。2007年3月，MB-OFDM的技术被国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)采纳。
UWB的另一个特征就是低功耗。对于射频收发机，一般来说，使用SiGe或者BiCMOS工艺，在同样的性能条件下可以比使用全CMOS工艺有更低的功耗。但是，随着CMOS工艺特征尺寸不断缩小，其截止频率已经达到SiGe工艺的水平，如65nm工艺的截止频率达到了150GHz以上。故现代深亚微米的CMOS工艺完全能够满足UWB设备低功耗的要求。
为了避免与WLAN-802.11a的5GHz工作频段冲突，目前的方案大致分为两个大的频段低频段近似为3.1～4.7GHz，作为第一代UWB系统的开发频段；高频段近似为5.8～10.6GHz。另外，在这两种方案的系统结构中，都使用了无线通信中必不可少的模块-低噪声放大器(LNA)。
低噪声放大器是射频接收机前端中最关键的模块之一。在传统的窄带LNA中，一般要求电路有低的噪声系数、合适的增益、好的输入匹配及高线性度。而在带宽达几GHz的超宽带系统中，由于电路工作频率高，因此在整个频段内的良好的输入匹配和平坦合适的增益则是除噪声特性外最重要也最难达到的性能要求。
文献[1]提出了基于交叉耦合输入的低噪声放大器，该放大器采用交叉耦合的方式实现了增益提升，并且抵消了一部分噪声，从而减小了输入对管的噪声贡献。但是输入共栅对管的噪声没有能够完全抵消，并且共栅结构的增益受到输入对管匹配要求的限制，不能做大，在UWB系统应用时无法满足增益要求，从而导致后级噪声等效到输入端。 W.Zhuo，X.Li，S.Shekhar，et al.A Capacitor Cross-Coupled Common-Gate Low-NoiseAmplifier.IEEE Transactions on circuits and systems.2005，52(12)875-879.
发明内容
本发明的目的是设计一种应用于UWB系统接收机的在低功耗下有高增益且有良好噪声性能的CMOS超宽带低噪声放大器电路。
本发明提出的超宽带低噪声放大器电路，其结构框图如附图1所示，该结构分为4级，依次为输入平衡-非平衡(Balun)转换器、输入匹配级、放大级和负载级组成。
第一级平衡-非平衡转换器由一变压器组成，可以实现1∶2阻抗变换的，其中平衡端接信号源，非平衡端接第三级的差分信号输入端； 第二级输入匹配级，为三端口无源电感电容网络，两个端口为输出端，一个端口接地，其中输出端接第三级的差分信号输入端；具体级数和拓扑网络随工作频段的不同而不同； 第三级放大级为四端口网络，两个输入端，两个输出端； 两个输入端一共接四个MOS管；首先，两个输入端接到两个源栅交叉耦合的MOS管的源端，每个MOS管的栅源通过电容隔直；另外输入端还串接两个隔直的电容，隔直电容再接到两个共源MOS管的栅端；这四个MOS管中，每两个栅端与接同相信号的MOS管的漏端相连，然后分别接到共栅管的源端；两个输出端为共栅管的漏端； 第四级负载级为三端口无源负载网络，一端接电源，另外两端接第三级的输出端；其中含有电阻电感的串联或者并联支路，可以含有电容元件，具体依工作频段的宽窄和使用的工艺而定。
低噪声放大器的匹配方式可以有电阻负反馈、共栅极输入和匹配网络匹配三种方式。电阻负反馈的方式可以在提高增益的同时获得较好的匹配性能，但是此方法在输入和输出引入了反馈回路，因此稳定性很差。匹配网络匹配需要较多的电感电容元件，会占用较大的芯片面积。共栅极输入的方式不需要复杂的匹配网络，且输入端的品质因数Q值较易控制，故本发明采用了共栅输入的方式。
Balun的等效电路如图2所示，其基本作用是把单端信号转换为差分信号，一般使用变压器实现。单端信号输入端为原端，差分信号输出端为副端，原端同副端的匝数比例为
使用该Balun后，一方面，由于两个原副端的信号极性相反，故可以把输入的单端信号转换为差分信号；另一方面，对于某一个共栅管的沟道电流噪声产生的噪声电压，它可以将其反相转换到另一个副端，从而为噪声抵消提供条件，具体原理见3的分析。
输入匹配级为一个电感，它在输入端提供谐振，以抵消输入端的容性寄生，该容性寄生来源于输入端的ESD、PAD、放大级的输入管等。当然它不可能在全频段都提供良好的谐振，但是只要输入端的Q值小于匹配所需的2，即寄生电容小于某一值，就可以实现较好的输入匹配。
放大级的电路如图3所示，由MOS管M1、M2、M3、M4、MS1、MS2，电容C1、C2经电路连接组成，其中，MOS管M1和M2源端和栅端交叉耦合，提供输入匹配所需阻抗的实部，同时对信号进行放大。MOS管M1和M2构成的输入端的等效电路如图4所示，流过vin的电流为gmvin，所以，双端输入阻抗为 在阻抗匹配的条件下，有 C1、C2为交叉耦合的隔直电容，用以隔离MOS管M1和M2的源栅直流电压，方便电路偏置的设置；MOS管MS1和MS2为共源管其栅端同MOS管M1和M2的栅端通过电容耦合，这两个共源管为主放大级提供一部分增益，同时放大共栅管M1和M2的噪声信号，实现输出端的噪声抵消；Is为它们的偏置电流；MOS管M3和M4为共栅管，一方面减小信号输入端因MOS管MS1和MS2管栅漏电容受Miller效应的影响，另一方面可以提供良好的隔离，以保证电路的稳定。
负载级如图5所示，其为电感Ld和电阻Rd组成的网络。可以采用并联网络，如图5(a)，并联电感可以有效的提高高频处的增益，并联电阻Rd可以有效的减小负载的Q值，提供平坦增益。另外，该级也可以为电感与电阻的串联，如图5(b)所示。
图6给出了整体示意图，其中vin为信号源，vop和von分别为输出的正负端。
文献[1]提出了基于交叉耦合输入的低噪声放大器，该结构示意图如图7所示。
对比图6与图7的电路可知，本发明的结构多了共源管MS1和MS2。与图7所示的结构相比，本发明的电路可以对输入共栅管的噪声完全抵消，同时可以大大增加电路的增益。
对于图7所示的交叉耦合结构的电路，如果只考虑M1管的沟道电流噪声，可得其小信号等效电路如图8所示。
此时Balun将图2中的1做为原端，2和3作为副端，则根据功率相等可知 在理想匹配的情况下Von端输入阻抗为RS，且根据匝数比例，从而有 得到 Z＝RS/3。(5) 令噪声电流通过Z产生的电压为vs，则有 于是 根据(1)式可有 在M3的漏端，噪声电压为 在M4的漏端，噪声电压为 故总的输出噪声电压为 从(11)式可知，采用交叉耦合结构后，噪声电压减小为原来的一半。
按照这种分析，如果将M2管流过的噪声电流增加，即增加噪声电压vs的放大倍数，则可以在输出端将M1管得噪声完全抵消。本发明采用的结构中增加的MS1管和MS2管正起到了这个作用。
如图9所示，为本发明的小信号等效电路。对于M1管引入的沟道电流噪声，MS1和MS2分别将其放大，且其为抵消M1引入电流噪声的方向。
按照如上的方法分析输出噪声则有 根据式(1)可知 此时，若设计使得共源管MS1和MS2的跨导满足 gms＝1/RS，(14) 则M1管产生的噪声被抵消。
以上分析了其噪声抵消的原理，下面分析其增益增加的原理。
不考虑Balun，图7电路的增益可以表示为 A＝2gmZL(15) 而加入共源管MS1和MS2后，不考虑Balun时，图6电路的增益为 A＝(2gm+gms)ZL(16) 从而可知，在满足噪声抵消的前提下，发明电路的增益增加了一倍，即6dB。
图1，本发明电路结构图示。
图2，本发明中使用Balun的等效电路。
图3，本发明放大级示意图。
图4，本发明放大级输入端等效示意图。
图5，本发明输出负载示意图。其中，图5(a)，并联负载，图5(b)，串联负载 图6，本发明采用的结构整体电路示意图。
图7，文献[1]中采用的电路示意图。
图8，文献[1]所示电路的噪声分析示意图。
图9，本结构电路的噪声分析示意图。
图10，本发明具体实施电路图。
图11，MB-OFDM标准的频率分配示意图。
图12，示例S参数仿真结果。
图13，示例噪声系数仿真结果。
具体实施例方式 对本发明提出的一种适用于UWB系统的超宽带低噪声放大器，结合附图10，通过实例对其进行进一步描述，但是不构成对本发明的限制。
假设输入信号源的阻抗为50Ω，在实现时，需要考虑偏置电路和测试问题。
首先，偏置电路方面，在具体实现时需要为共源管MS1和MS2的栅端提供偏置，但是同时考虑到其栅端为射频信号的输入端，故需要大电阻进行隔离，且该隔离电阻值R要满足R＞1/(ωCgs，MS1)的条件；同时为了保证偏置提供端交流良好接地，需要并联电容，电容要尽可能的大。如图10所示，其中的Rc1～Rc4为隔离电阻，Cc1～Cc4为并联电容。
其次为了实际测试的需要，本示例加入了由MOS管M5～M8组成的源极跟随器。对于源极跟随器，其输出阻抗为1/gm5，设计时将跨导gm5设计为20mS，即可实现输出端的良好匹配；另外，由于源极跟随器的电流一般较大，故能驱动输出端的小阻抗负载。
本实例的电路级仿真采用的是TSMC 0.18umRF CMOS工艺，并使用Cadence公司的SpectreRF仿真完成。在UWB标准上，本实例采用的是MB-OFDM标准，其频段分布如图11所示，在3.1～10.6GHz的范围上，一共有14个528MHz的子带。本实例采用前三个子带，即UWB技术开发的第一代模式，频率范围为3.1～4..7GHz。
对于应用于该系统的低噪声放大器，可以有两种方案，第一种为在3.1～4.7GHz都可以实现平坦的放大，另一种在三个子带上分别放大，通过开关选频，三个子带的中心频点分别为3.432GHz，3.96GHz，4.488GHz。本实例选取第一种方案。另外，为了防止工艺偏差导致电路的3dB带宽发生变化，在输出端加入了电容控制阵列，如图10所示。
在设计时，首先考虑匹配的需要，根据(2)式确定输入交叉耦合管M1和M2的跨导gm，在信号源电阻为50Ω的条件下有gm＝10mS。
另外，根据噪声抵消的要求，即(14)式，可知共源管MS1和MS2的跨导应该设计为gms＝20mS。
再者，根据增益的要求，如要求增益Av＝20dB，则根据增益表达式(16)可知输出负载的阻抗在中心谐振点要满足RL＝250Ω。
最后，还要考虑输入宽带匹配的要求。在根据跨导值确定MOS管M1、M2，MS1、MS2管的尺寸和偏置时要考虑输入端的寄生电容，即MOS管M1和M2管的栅源容Cgs与栅漏电容Cgd，还有MOS管MS1和MS2管的栅源电容Cgss，该电容之和Cin要满足输入匹配的要求，即 Q＝ω0CinRS＜2。(17) 根据以上分析得到设计的电路，在SpectreRF软件上进行PSS+Pnoise仿真和SP仿真，可得到电路的S参数与噪声系数。
图12为电路的S参数仿真，可见S11在工作频段内都能达到-10dB以下；S21记入了输出缓冲器(Buffer)7dB的增益损失。
图13为电路的噪声系数仿真结果，可见，在工作频段内，电路都能达到好的噪声。
另外根据Pnoise仿真得到的各部分噪声分布比例，如表1所示。其中输入共栅管为M1和M2，输入共源管为MS1和MS2。可见在各项噪声贡献中，耦合共栅管占的比例很小，可以忽略不计。此结果也符合本发明的初衷。
表1电路部分的噪声贡献
权利要求
1.一种采用噪声抵消技术的超宽带低噪声放大器电路，分为四级，第一级为一个平衡一非平衡转换器，第二级为输入匹配级，第三级为放大级，第四级为负载级；其中
第一级平衡一非平衡转换器由一变压器组成，以实现1∶2阻抗变换，其中平衡端接信号源，非平衡端接第三级的差分信号输入端；
第二级输入匹配级，为三端口无源电感电容网络，两个端口为输出端，一个端口接地，其中输出端接第三级的差分信号输入端；具体级数和拓扑网络随工作频段的不同而不同；
第三级放大级为四端口网络，两个输入端，两个输出端；
两个输入端一共接四个MOS管；首先，两个输入端接到两个源栅交叉耦合的MOS管的源端，每个MOS管的栅源通过电容隔直；另外输入端还串接两个隔直的电容，隔直电容再接到两个共源MOS管的栅端；这四个MOS管中，每两个栅端与接同相信号的MOS管的漏端相连，然后分别接到共栅管的源端；两个输出端为共栅管的漏端；
第四级负载级为三端口无源负载网络，一端接电源，另外两端接第三级的输出端；其中含有电阻电感的串联或者并联支路。
全文摘要
本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种采用噪声抵消技术的超宽带低噪声放大器。该低噪声放大器电路结构由差分输入、由输入平衡-非平衡转换器(Balun)、匹配级、放大级和负载级依次电路连接构成。该电路结构在放大级采用共栅与共源结合的方式，一方面可以对输入共栅管的沟道电流热噪声进行放大，从而在差分端有效的抵消该噪声；另一方面可以大大增加电路的增益以满足系统要求。
文档编号H03F1/42GK101110573SQ20071004291
公开日2008年1月23日 申请日期2007年6月28日 优先权日2007年6月28日
发明者巍 李, 罗志勇 申请人:复旦大学