具备温度及工艺偏差补偿的CMOS共源共栅射频放大器的制作方法

本技术属于射频放大器，涉及一种具备温度及工艺偏差补偿的cmos共源共栅射频放大器。

背景技术：

1、wifi射频前端模块是wifi收发系统中的重要模块之一。wifi射频前端模块主要包括功率放大器、低噪声放大器和开关电路。为了降低成本、提高集成度，低噪声放大器和开关电路一般由成本低、集成度高、兼容性好的cmos工艺制作。cmos共源共栅射频放大器凭借其高增益、宽带、低噪声、小面积等特性，成为wifi射频前端模块中低噪声放大器的常用结构。

2、如何提高wifi收发系统的稳定性和可靠性是目前研究热点，这就要求wifi射频前端模块具备稳定的功耗和增益特性。

3、传统的wifi射频前端低噪声放大器中的偏置电路多采用电阻分压方式，当温度变化或者工艺参数产生偏差时，无法调制偏置电压，导致放大器增益和功耗随温度出现大范围波动，偏置电压无法随工艺偏差变化，会导致芯片增益一致性差。还有一些wifi射频前端低噪声放大器具备增益温度补偿特性，但其温度补偿系数固定，无法动态采集低噪放放大管的实时温度情况，并且传统的温度补偿偏置电路大多不具备工艺参数偏差补偿特性。

4、授权公告号为cn 109716648 b的中国发明专利公开了一种共源共栅放大器偏置电路，其利用共源共栅基准电路以在闭环偏置控制电路的控制下偏置共源共栅放大器的最终级。闭环偏置控制电路通过调整共源共栅放大器的最终级的栅极偏置电压来确保共源共栅基准电路中的电流近似等于已知电流值的选定倍数。然而此偏置电压不能随温度和工艺参数变化，从而无法补偿放大器的功耗和电流，导致其无法在高稳定性、高可靠性的场合应用。

技术实现思路

1、本实用新型的目的，是要提供一种具备温度及工艺偏差补偿的cmos共源共栅射频放大器，其能够对放大器放大管的温度特性实时感应，对偏置电压动态调整，进而降低放大器增益及功耗波动；同时能够根据工艺参数偏差动态调整偏置电压，降低放大器增益及功耗随工艺偏差的波动。

2、本实用新型为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

3、一种具备温度及工艺偏差补偿的cmos共源共栅射频放大器，包括偏置电路和放大级电路；

4、放大级电路包括共源管、共栅管、扼流电感、输入匹配网络和输出匹配网络；

5、共源管的漏极与共栅管的源极相连，共源管的源极接地，共源管的栅极一方面连接输入匹配网络、另一方面与偏置电路的第一偏置电压输出端相连；

6、共栅管的漏极一方面通过扼流电感连接电源电压、另一方面连接输出匹配网络；共栅管的栅极与偏置电路的第二偏置电压输出端相连；

7、偏置电路由第一偏置支路和第二偏置支路组成；

8、第一偏置支路包括依次串接的第一电流源、第一电阻、第二电阻，第二电阻的一端接地；还包括第一偏置管和第二偏置管；

9、第一偏置管和第二偏置管均采用mos管；第一电阻的一端一方面与第一电流源的输出端相连、另一方面与第二偏置管的漏极相连，第二偏置管的源极与第一偏置管的漏极相连，第一偏置管的源极接地；第一偏置管的栅极一方面与第一电阻、第二电阻的公共端相连，另一方面作为偏置电路的第一偏置电压输出端；

10、第二偏置支路包括依次串接的第二电流源、第三电阻、第四电阻和二极管形式串接的mos管单元；mos管单元由串接的第一～第n mos管组成，第一mos管的漏极与第四电阻相连，第m-1mos管的源极与第m mos管的漏极相连，第n mos管的源极接地；其中，n≥2，m∈[2，n]；

11、第二偏置管的栅极一方面与第三电阻、第四电阻的公共端相连、另一方面作为偏置电路的第二偏置电压输出端；

12、第一电流源采用与温度无关的电流源，第二电流源采用正温度系数电流源。

13、作为限定，第一偏置管和第二偏置管在版图布局时，以最小工艺间距布局于共源管、共栅管的周围。

14、作为第二种限定，放大级电路的电流表示为：

15、

16、其中，μncox表示共源管工艺参数，表示共源管的宽长比，vg1表示第一偏置电压，vth表示共源管的阈值电压；λ表示共源管的沟道调制系数，vds表示共源管的漏源电压；

17、放大级电路的增益表示为：

18、

19、其中，gm表示放大级电路的跨导；rout表示放大级电路的输出等效电阻；vgs表示共源管的栅源电压；

20、第一偏置支路的电流表示为：

21、

22、其中，r2表示第二电阻的阻值；imb1表示流经第一偏置管的电流；vds1表示第一偏置管的漏源电压。

23、本实用新型由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

24、(1)本实用新型中偏置电路采用温度及工艺偏差补偿偏置电路，当环境温度发生变化时，偏置电路可采集到共源管m1、共栅管m2的实时温度，并产生新的偏置电压，实现对放大级电路偏置状态的动态调整，降低其增益及功耗随温度变化的波动；同样，当芯片制造过程中，晶圆不同区域出现工艺参数分布偏差时，同一芯片偏置电路与放大级电路放大管区域相同，产生工艺偏差相同，偏置电路可根据工艺偏差产生新的偏置电压，实现对放大级电路偏置状态的动态调整，降低放大器增益及功耗随工艺偏差的波动；

25、(2)本实用新型中第二偏置电压vg2不会随温度变化，为温度无关电压，第一偏置电压vg1可随放大器工作温度及工艺参数偏置变化；当放大器工作温度发生变化或者工艺参数有偏差时，第一偏置支路x1产生的第一偏置电压vg1会随动变化，向相反的方向补偿放大级电路的增益及功耗，形成负反馈效果，从而降低放大级电路增益及功耗随温度变化或者随工艺参数变化的波动范围；

26、(3)本实用新型中第一偏置支路中的第一偏置管及第二偏置管，二者在版图布局时靠近放大级中共源管和共栅管，以保证对放大区域温度采集的准确性；

27、(4)本实用新型应用于wifi收发系统中，能够提高系统的稳定性和可靠性。

28、本实用新型属于射频放大器技术领域，能够同时对温度及工艺偏差进行补偿，降低放大器增益及功耗波动，同时降低放大器增益及功耗随工艺偏差的波动。

技术特征：

1.一种具备温度及工艺偏差补偿的cmos共源共栅射频放大器，其特征在于，包括偏置电路和放大级电路；

2.根据权利要求1所述的具备温度及工艺偏差补偿的cmos共源共栅射频放大器，其特征在于，第一偏置管和第二偏置管在版图布局时，以最小工艺间距布局于共源管、共栅管的周围。

3.根据权利要求1或2所述的具备温度及工艺偏差补偿的cmos共源共栅射频放大器，其特征在于，放大级电路的电流表示为：

技术总结
本技术属于射频放大器技术领域，具体公开了一种具备温度及工艺偏差补偿的CMOS共源共栅射频放大器，包括偏置电路和放大级电路，偏置电路采用温度及工艺偏差补偿偏置电路，当环境温度发生变化时，偏置电路可采集到放大管的实时温度，并产生新的偏置电压，实现对放大级电路偏置状态的动态调整，降低其增益及功耗随温度变化的波动；同样，当芯片制造过程中，晶圆不同区域出现工艺参数分布偏差时，同一芯片偏置电路与放大级电路放大管区域相同，产生工艺偏差相同，偏置电路可根据工艺偏差产生新的偏置电压，实现对放大级电路偏置状态的动态调整，降低放大器增益及功耗随工艺偏差的波动。本技术适用于WiFi射频前端模块中低噪声放大器。

技术研发人员：王绍权,王鑫,赵瑞华,徐永祥,孟少伟,汤晓东,周子棋,王月阳
受保护的技术使用者：三微电子科技（苏州）有限公司
技术研发日：20230829
技术公布日：2024/3/21