一种应用于ＵＷＢ系统的单端输入差分输出的低噪声放大器技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术结构简单，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于射频无线接收机集成电路
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术设计了 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。该专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。附图说明图1普通单转双结构LNA的结构示意图。图2本专利技术单转双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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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Ｖ↓［ｉｎ］，差分输出为Ｖ↓［ｏｕｔ］；其中：所述的输入寄生参数等效级由串联电感（Ｌ↓［ｂｏｎｄｉｎｇ］）和并联电容（Ｃ↓［ｐａｄ］）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（Ｃ↓［ｃ１］）相连；所述的输入级由共栅管（Ｍ↓［ｃｇ］）、输入电感（Ｌ↓［ｃｇ］）和共源管（Ｍ↓［ｃｓ］）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（Ｃ↓［ｃ１］）以及另一隔直电容（Ｃ↓［ｃ２］）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（Ｃ↓［ｃ２］）相连，源极直接接地；所述负载级包括串联电阻（Ｒ↓［ｃｇ］、Ｒ↓［ｃｓ］）和串联差分电感（Ｌ），串联电感用来提高带宽；其中串联电阻（Ｒ↓［ｃｇ］）在共栅支路，该串联电阻（Ｒ↓［ｃｇ］）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↓［ｃｓ］）在共源支路，该串联电阻（Ｒ↓［ｃｓ］）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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李宁，周锋，张楷晨，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]