多模全差分放大器的制作方法

专利名称：多模全差分放大器的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路设计及信号处理领域，且特别涉及一种多模全差分放大器。

背景技术：
近年来，随着无线通信技术的飞速发展，新的技术和标准层出不穷，如无线局域网(WLAN)，蓝牙(Bluetooth)，射频识别(RFID)，超宽带(UWB)，TD-SCDMA，CDMA2000，WCDMA等等。在这种背景下，用户希望根据自己的需求，通过多模终端接入相应的网络，实现灵活便捷的通信和数据传输，多模多频应用是未来无线通信发展的一大趋势。在相应的无线通信收发终端中，低噪声放大器(RF Low Noise Amplifier，简称LNA)是接收机模块前端的重要部分。它的作用是将通过天线接收到的微弱信号进行放大，以便接收机的后续模块进行处理。由于LNA是整个接收机(同时也是整个系统)中最先处理无线信号的模块(除了天线)，其性能对于整个接收机甚至整个系统有着举足轻重的影响。因此，设计适应多种模式，并且各项指标满足要求的LNA是十分必要的。
LNA设计主要考量噪声、线性度、功耗及增益之间的折衷，描述LNA性能的主要参数有正向放大倍数(S21)、输入端匹配度(S11)、输出端匹配度(S22)、反向隔离度(S12)、功耗、输入线性度(IIP3)和噪声系数(NF)。
目前高性能LNA主要采用CMOS及BiCMOS工艺设计。为了满足多模系统要求，覆盖到所需频段，5GHz以上的接收机系统设计一般采用0.18um及更小尺寸CMOS工艺，或截至频率大于45GHz的BiCMOS工艺。因此设计一种应用于多模系统，基于SiGe BiCMOS工艺的全差分LNA是具有重大意义的。


发明内容
为了克服现有技术中低噪声放大器性能较低、模式单一的问题，本发明提供了一种性能较高且具有多种模式的放大器。
为了实现上述目的，本发明提出一种多模全差分放大器，所述放大器包括相互并联的第一电路和第二电路，所述第一电路包括第一晶体管、第三晶体管和第五晶体管，所述第三晶体管和所述第五晶体管并联后和所述第一晶体管串联；所述第二电路包括第二晶体管、第四晶体管和第六晶体管，所述第四晶体管和所述第六晶体管并联后和所述第二晶体管串联；所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管和所述第六晶体管的基区掺杂材料为锗。
可选的，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管和所述第六晶体管均为双极型晶体管。
可选的，所述放大器还包括第一电感和第二电感，所述第一电感一端和所述第一晶体管的发射极相连，另一端接地；所述第二电感一端和所述第二晶体管的发射极相连，另一端接地。
可选的，所述放大器还包括第三电感和第四电感，所述第三电感的一端和所述第一晶体管的基极相连，另一端和第一输入端相连；所述第四电感的一端和所述第二晶体管的基极相连，另一端和第二输入端相连。
可选的，所述第一输入端和所述第一晶体管之间以及所述第二输入端和所述第二晶体管之间，均设置一电容。
可选的，所述放大器还包括第五电感和第六电感，所述第五电感的一端和所述第三晶体管的集电极相连，另一端和电源相连；所述第六电感的一端和所述第四晶体管的集电极相连，另一端和电源相连。
可选的，所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管和所述第六晶体管的基极均连接一负载电阻。
可选的，所述放大器还包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端和所述第三晶体管的集电极相连，所述第二输出端和所述第四晶体管的集电极相连。
可选的，所述第一输出端和所述第三晶体管的集电极之间以及所述第二输出端和所述第四晶体管的集电极之间，均设置一电容。
可选的，所述放大器还包括第一偏置端、第二偏置端、第三偏置端和第四偏置端，所述第一偏置端和所述第一晶体管的基极相连，所述第二偏置端和所述第二晶体管的基极相连，所述第三偏置端和所述第三晶体管的基极上连接的负载电阻相连，所述第四偏置端和所述第四晶体管的基极上连接的负载电阻相连。
可选的，所述放大器还包括第一MOS管、第二MOS管、第一控制端和第二控制端，所述第一MOS管的集电极和所述第一晶体管的基极相连，所述第一MOS管的基极和所述第一控制端相连，所述第一MOS管的发射极接地；所述第二MOS管的集电极和所述第二晶体管的基极相连，所述第二MOS管的基极和所述第二控制端相连，所述第二MOS管的发射极接地。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明多模全差分放大器具有以下优点本发明提供的放大器中的晶体管采用双极型晶体管，而且晶体管的基极掺入锗，形成异质发射极区-基区结(BE结)及基区-集电极区结(BC结)，该锗硅合金异质结具有较高的稳定性，并降低结区势垒，获得较高的β(放大系数)值；另外，本发明提供的放大器结构为全差分结构，加入多模切换电路，从而更好的实现了放大器的低噪声放大应用。



图1为本发明多模全差分放大器的第一实施例的示意图。
图2为多种技术节点上的射频能力对比图。
图3为本发明多模全差分放大器与其它低噪声放大器的性能比较图。

具体实施例方式 下面，结合附图对本发明做进一步的说明。
首先，请参考图1，图1为本发明多模全差分放大器的第一实施例的示意图，从图上可以看出，本发明多模全差分放大器包括相互并联的第一电路和第二电路，所述第一电路包括第一晶体管T1、第三晶体管T3和第五晶体管T5，所述第三晶体管T3和所述第五晶体管T5并联后和所述第一晶体管T1串联；所述第二电路包括第二晶体管T2、第四晶体管T4和第六晶体管T6，所述第四晶体管T4和所述第六晶体管T6并联后和所述第二晶体管T2串联；所述第一晶体管T1、所述第二晶体管T2、所述第三晶体管T 3、所述第四晶体管T4、所述第五晶体管T5和所述第六晶体管T6的基区掺杂材料为锗。所述第一晶体管T1、所述第二晶体管T2、所述第三晶体管T3、所述第四晶体管T4、所述第五晶体管T5和所述第六晶体管T6均为双极型晶体管。所述放大器还包括第一电感L1和第二电感L2，所述第一电感L1一端和所述第一晶体管T1的发射极相连，另一端接地；所述第二电感L2一端和所述第二晶体管T2的发射极相连，另一端接地。所述放大器还包括第三电感L 3和第四电感L4，所述第三电感L 3的一端和所述第一晶体管T1的基极相连，另一端和第一输入端RF1相连；所述第四电感L4的一端和所述第二晶体管T2的基极相连，另一端和第二输入端RF2相连。所述第一输入端RF1和所述第一晶体管T1之间以及所述第二输入端RF2和所述第二晶体管T2之间，均设置一电容(C1和C2)。所述放大器还包括第五电感L5和第六电感L6，所述第五电感L5的一端和所述第三晶体管T3的集电极相连，另一端和电源Vdd相连；所述第六电感L6的一端和所述第四晶体管T4的集电极相连，另一端和电源Vdd相连。所述第三晶体管T3、所述第四晶体管T4、所述第五晶体管T5和所述第六晶体管T6的基极均连接一负载电阻(R1、R2、R3和R4)。所述放大器还包括第一输出端OUT1和第二输出端OUT2，所述第一输出端OUT1和所述第三晶体管T3的集电极相连，所述第二输出端OUT2和所述第四晶体管T4的集电极相连。所述第一输出端OUT1和所述第三晶体管T3的集电极之间以及所述第二输出端OUT2和所述第四晶体管T4的集电极之间，均设置一电容(C5和C6)。
所述放大器还包括第一偏置端BIAS1、第二偏置端BIAS2、第三偏置端BIAS3和第四偏置端BIAS4，所述第一偏置端BIAS1和所述第一晶体管T1的基极相连，所述第二偏置端BIAS2和所述第二晶体管T2的基极相连，所述第三偏置端BIAS3和所述第三晶体管T3的基极上连接的负载电阻R1相连，所述第四偏置端BIAS4和所述第四晶体管T4的基极上连接的负载电阻R2相连。
所述放大器还包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第一控制端CT1和第二控制端CT2，所述第一MOS管M1的集电极和所述第一晶体管T1的基极相连，所述第一MOS管M1的基极和所述第一控制端CT1相连，所述第一MOS管M1的发射极接地；所述第二MOS管M2的集电极和所述第二晶体管T2的基极相连，所述第二MOS管M2的基极和所述第二控制端CT2相连，所述第二MOS管M2的发射极接地。
此外，本实施例中还包括电容C3、C4、C7和C8，其中电容C3的一端接地，另一端和负载电阻R1相连；电容C4的一端接地，另一端和负载电阻R2相连；电容C7的一端接地，另一端和第五晶体管T5的集电极相连；电容C8的一端接地，另一端和第六晶体管T6的集电极相连。
如图1所示，第一晶体管T1和第三晶体管T3，第二晶体管T2和第四晶体管T4分别组成了共源共栅结构的差分输入级，第三晶体管T3及第四晶体管T4在差分输入端和差分输出端之间提供较高的反向隔离，还可以通过减少密勒效应来提高高频性能，第一电感L1，第三电感L3和第一晶体管T1完成差分输入级一侧的阻抗匹配及噪声匹配，第二电感L2，第四电感L4和第二晶体管T2完成差分输入级另一侧的阻抗匹配及噪声匹配。差分输入一侧的输入阻抗可以表示为 Zin＝rb+ωTLE+j(ωLE+ωLB-1/ωCx)(1) 其中rb为基极电阻，Le为发射极电感，Lb为输入电感，Cpi为基极-发射极电容。
将噪声等效到输入端，可以表示为 可见，减少低噪声放大器的系统噪声，可以通过减少基极电阻rb，增加特征频率ft及选择合适的集电极电流ic来控制。
K＞1及Δ＜1时系统是稳定的。
第五晶体管T5及第六晶体管的作用是多模增益控制。
图2为多种技术节点上的射频能力对比图，SiGe BiCMOS工艺是基于传统Si BiCMOS工艺，向双极型晶体管(BJT)的基区掺入锗(Ge)，形成异质发射极区-基区结(BE结)及基区-集电极区结(BC结)，这种锗硅合金异质结具有较高的稳定性，并降低结区势垒，获得较高的β(放大系数)值。SiGe BiCMOS技术还可以提高截止频率，获得极好的噪声特性，适用于LNA应用。附图2所示的是在不同技术节点上Si BiCMOS，CMOS及SiGe BiCMOS工艺的特征频率对比，横左边为节点标记，单位为um，纵坐标为频率，单位为GHz。可以看到，在0.35um以上工艺中，SiGe BiCMOS工艺具有明显的优势，可以体现在减小器件功耗，提示击穿电压及降低噪声等各个方面。
本发明能够通过简单的电路结构实现对无线射频信号在低噪声的环境下进行放大，本发明的优点在于采用0.18μm SiGe BiCMOS工艺实现多模全差分低噪声放大器，与传统Si BiCMOS及全CMOS共源共栅极结构射频CMOS低噪声放大器相比具有更优的性能，如图3所示，图3为本发明多模全差分放大器与其它低噪声放大器的性能比较图，从图上可以看出，在相同条件下，本发明的低噪声放大器的线性度具有最高的增益及最小的噪声系数，分别达到了18dB及1.5dB，而且消耗最少的电流，仅为6mA。充分证明了SiGe BiCMOS工艺具有与传统Si CMOS工艺及BiCMOS工艺相比更有的性能。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所述技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
1.一种多模全差分放大器，所述放大器包括相互并联的第一电路和第二电路，所述第一电路包括第一晶体管、第三晶体管和第五晶体管，所述第三晶体管和所述第五晶体管并联后和所述第一晶体管串联；所述第二电路包括第二晶体管、第四晶体管和第六晶体管，所述第四晶体管和所述第六晶体管并联后和所述第二晶体管串联；
其特征在于
所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管和所述第六晶体管的基区掺杂材料为锗。
2.根据权利要求1所述的多模全差分放大器，其特征在于所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管和所述第六晶体管均为双极型晶体管。
3.根据权利要求1所述的多模全差分放大器，其特征在于所述放大器还包括第一电感和第二电感，所述第一电感一端和所述第一晶体管的发射极相连，另一端接地；所述第二电感一端和所述第二晶体管的发射极相连，另一端接地。
4.根据权利要求1所述的多模全差分放大器，其特征在于所述放大器还包括第三电感和第四电感，所述第三电感的一端和所述第一晶体管的基极相连，另一端和第一输入端相连；所述第四电感的一端和所述第二晶体管的基极相连，另一端和第二输入端相连。
5.根据权利要求4所述的多模全差分放大器，其特征在于所述第一输入端和所述第一晶体管之间以及所述第二输入端和所述第二晶体管之间，均设置一电容。
6.根据权利要求1所述的多模全差分放大器，其特征在于所述放大器还包括第五电感和第六电感，所述第五电感的一端和所述第三晶体管的集电极相连，另一端和电源相连；所述第六电感的一端和所述第四晶体管的集电极相连，另一端和电源相连。
7.根据权利要求1所述的多模全差分放大器，其特征在于所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管和所述第六晶体管的基极均连接一负载电阻。
8.根据权利要求1所述的多模全差分放大器，其特征在于所述放大器还包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端和所述第三晶体管的集电极相连，所述第二输出端和所述第四晶体管的集电极相连。
9.根据权利要求8所述的多模全差分放大器，其特征在于所述第一输出端和所述第三晶体管的集电极之间以及所述第二输出端和所述第四晶体管的集电极之间，均设置一电容。
10.根据权利要求1所述的多模全差分放大器，其特征在于所述放大器还包括第一偏置端、第二偏置端、第三偏置端和第四偏置端，所述第一偏置端和所述第一晶体管的基极相连，所述第二偏置端和所述第二晶体管的基极相连，所述第三偏置端和所述第三晶体管的基极上连接的负载电阻相连，所述第四偏置端和所述第四晶体管的基极上连接的负载电阻相连。
11.根据权利要求1所述的多模全差分放大器，其特征在于所述放大器还包括第一MOS管、第二MOS管、第一控制端和第二控制端，所述第一MOS管的集电极和所述第一晶体管的基极相连，所述第一MOS管的基极和所述第一控制端相连，所述第一MOS管的发射极接地；所述第二MOS管的集电极和所述第二晶体管的基极相连，所述第二MOS管的基极和所述第二控制端相连，所述第二MOS管的发射极接地。
全文摘要
本发明提供一种多模全差分放大器，所述放大器包括相互并联的第一电路和第二电路，所述第一电路包括第一晶体管、第三晶体管和第五晶体管，所述第三晶体管和所述第五晶体管并联后和所述第一晶体管串联；所述第二电路包括第二晶体管、第四晶体管和第六晶体管，所述第四晶体管和所述第六晶体管并联后和所述第二晶体管串联；所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管和所述第六晶体管的基区掺杂材料为锗，本发明提供的放大器中的晶体管基极采用锗掺杂，结构为全差分结构，加入多模切换电路，从而实现了低噪声放大应用。
文档编号H03F3/45GK101771388SQ20101011876
公开日2010年7月7日 申请日期2010年3月5日 优先权日2010年3月5日
发明者王勇, 胡少坚, 周伟, 陈寿面, 赵宇航 申请人:上海集成电路研发中心有限公司