CN100527601C - 一种多模低噪声放大器电路 - Google Patents

Abstract

一种多模低噪声放大器电路，其适合多个射频接收标准，是一种共源共栅结构的窄带放大器，其特征在于，包括：输入匹配网络、共源共栅放大器、调节电路、输出网络、以及管脚电路，其中：输入匹配网络，对于多个频段都具有输入阻抗匹配；输出网络，通过微调可以克服工艺变化、管脚及绑定线对频段的影响；调节电路，通过调节参数，可以获得三个频段的谐振点。采用了上述的技术解决方案，本发明的电路实现了一种多模低噪声放大器，特别是三个模式，例如接收IEEE 802.11b、Bluetooth、DECT、PHS以及GPS信号等。应用于多模射频接收器的前端，接收多个标准的射频信号。完成宽带低噪声放大器或多个窄带低噪声放大器的功能，实现多模射频接收，减小系统的规模和成本。

Description

一种多模低噪声放大器电路

技术领域

本发明涉及一种多模低噪声放大器电路，可用于集成电路射频接收器中，同时接收多个标准的射频信号。

背景技术

低噪声放大器广泛使用于射频接收器的前端，对微弱的射频信号进行放大。如果要同时接收多个无线电频段的射频信号，一般的方法有：一是使用宽带放大器，对很宽频率范围内的任何频率的信号都放大；二是用多个窄带低噪声放大器分别放大不同频段的射频信号。

宽带放大器的缺点是功耗和噪声指数(Noise Figure)都很大，在手持式无线电设备中不适用。为了实现一台手持设备接收多个射频频段的信号，例如GSM、PHS、DECT、Bluetooth、GPS、IEEE 802.11b等，使用两个或多个窄带低噪声放大器分别对应不同的标准。这种方案一方面不利于手持设备的缩小，另一方面使手持式设备的成本增加。

因此如何利用一个窄带低噪声放大器实现对多个标准频段射频信号的放大是业内人士研究的项目之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够对多个频段的射频信号进行放大的低噪声放大器电路，实现多模射频接收，减小系统的规模和成本。

本发明所提供的一种多模低噪声放大器电路，其适合多个射频接收标准，是一种共源共栅结构的窄带放大器，其特征在于，包括：输入匹配网络、与该输入匹配网络相连的共源共栅放大器、与该共源共栅放大器相连的调节电路、与该调节电路相连的输出网络、以及与该输出网络相连的管脚电路，其中：输入匹配网络，将天线接收的无线信号，在多个频段进行输入匹配网络的输入阻抗与天线的输出阻抗相匹配；共源共栅放大器，提供对信号的放大；输出网络，包括调谐网络和微调网络，通过微调输出网络中电容和电感的值可以克服工艺变化、管脚及绑定线对频段的影响；调节电路，通过调节输出网络的微调网络的电容及电感值和本调节电路的电容值，可以获得三个频段的谐振点；管脚电路，包括依次串联在一起的绑定线电阻、绑定线电感、上层金属与下层金属之间的电容、下层金属与衬底之间的电容、以及衬底电阻，用于和电路外界信号交换。

上述的多模低噪声放大器电路，其中，调节电路是由可变电容组成。

上述的多模低噪声放大器电路，其中，可变电容是MOS电容，通过电压调节电容的大小，改变谐振的频段。

上述的多模低噪声放大器电路，其中，可变电容是平板电容阵列，使用不同的电容获得一组三个不同的频段。

上述的多模低噪声放大器电路，其中，管脚电路中的I/O管脚的结构为：在多层金属层中，选择下面某一层金属通过内部电路至片外接地，选择上层金属做连接，与片内和片外电路相连。

上述的多模低噪声放大器电路，其中，微调网络可以对三个谐振点的增益在设定范围内调节。

采用了上述的技术解决方案，本发明电路实现了一种多模低噪声放大器，特别是三个模式，例如接收IEEE 802.11b、Bluetooth、DECT、PHS以及GPS信号等。应用于多模射频接收器的前端，接收多个标准的射频信号。本发明完成宽带低噪声放大器或多个窄带低噪声放大器的功能，实现多模射频接收，减小系统的规模和成本。

附图说明

图1是本发明多模低噪声放大器电路原理图；

图2是本发明的输入匹配网络的等效电路图；

图3(a)～(b)是以双层金属工艺为例的管脚结构及其等效电路图；

图4(a)～(b)是输入阻抗的虚部和实部的仿真匹配波形图；

图5可变电容Cd等于1.4pF时的仿真结果波形图；

图6可变电容Cd等于2.4pF时的仿真结果波形图。

具体实施方式

如图1所示，本发明多模低噪声放大器电路，输入信号是天线接收的射频信号，天线的内阻Rs等于50欧姆。射频信号经过输入阻抗匹配网络100送到共源共栅放大器200。共源共栅放大器电路200本身是一种窄带放大器，利用输入匹配网络100，在多个频率点产生输入阻抗的实部为50欧姆，而虚部为0欧姆。从而实现多个频率点输入阻抗为50欧姆的阻抗匹配。输出端设置输出谐振网络301，与输入阻抗匹配频率对应，实现对多个频率的射频信号放大。

本发明多模低噪声放大器电路，其适合多个射频接收标准，是一种共源共栅结构的窄带放大器，包括：输入匹配网络100、与该输入匹配网络100相连的共源共栅放大器200、与该共源共栅放大器200相连的调节电路400、与该调节电路400相连的输出网络300、以及与该输出网络300相连的管脚电路500。

输入匹配网络100，将天线接收的无线信号，在多个频段进行输入匹配网络的输入阻抗与天线的输出阻抗相匹配。

共源共栅放大器200，提供对信号的放大，主要由晶体管M1、M2、电感Ls和接地管脚所组成。

输出网络300，包括调谐网络301和微调网络302，通过微调可以克服工艺变化、管脚及绑定线对频段的影响。调谐网络301主要由电感Lm3、Lm4、Lm5和电容Cm3所组成。微调网络302主要由Lm1、Lm2、Cm1、Cm2所组成，可以对三个谐振点的增益在一定范围内调节。

调节电路400，通过调节输出网络的微调电路和本调节电路，可以获得三个频段的谐振点，主要由电阻Rd和电容Cd所组成。电容Cd是可变电容，可以是MOS电容，通过电压调节电容的大小，改变谐振的频段；也可以是平板电容阵列，使用不同的电容获得一组三个不同的频段。

管脚电路，用于和电路外界信号交换。由电感、电容Cpad、衬底电阻Rsub所组成。

图2是输入匹配网络100等效电路图，其包括输入管脚电路502。该等效电路主要由电容Cg、Cgs、电感Lg、Lp、电阻Rg和管脚寄生电阻和电容组成。

Rg是栅电阻，通过优化MOS管的个数以及版图结构，可以使Rg很小，为推导匹配阻抗，可以忽略不计。

采用特殊的管脚(PAD)结构，使PAD的寄生参数最小，先不考虑PAD的寄生参数，但是要根据封装形式的不同适当考虑绑定线(Bondwired)的电感。输入端各节点的输入等效阻抗为：

为了使输入阻抗50欧姆匹配，就要使(2)中的虚部为0，而实部为50欧姆。满足下面两个公式：

$\frac{L_s}{C_{\mathrm{gs}}}*g_m=50---\left(4\right)$

上面各式中Ls是M1的源极电感，包括绑定线电感；Cgs是M1的栅源间的电容，Cgs与栅源之间的交叠程度以及M1的大小等因素有关；Lp是栅极电感，包括输入管脚的绑定线电感；g_m是M1的跨导，与M1的大小、过驱动电压等因素有关；Cg和Lg并联通过输入管脚接到M1的栅极，是分立的电容电感。

求解(3)，调节Lg和Cg，可以导出两个频率点满足(3)，这两个频率点输入阻抗的虚部为零，而实部为50欧姆。为了导出第三个频率点，实部仍然为50欧姆，但虚部不为零。为了使虚部接近零，调节Cg和Lg使三个频点的虚部都在一定的误差范围之内为0欧姆。

在实际的电路中，不仅要考虑电感的寄生电阻，更重要的是要考虑管脚的寄生电容和衬底电阻。

图3(a)～(b)是以双层金属工艺为例的管脚结构及其等效电路图，金属(Metal)1通过芯片内部的连线直接接到片外的地(Gnd)。两层金属1、2间的厚度很大，一般约7500A°，作为平板电容，它们的电容值较小。通过这种处理，可以屏蔽衬底电阻的影响；也可以使管脚的寄生电容达到最小，例如可以达到50fF左右。输入输出信号的管脚500都用这种结构的管脚。这种管脚可以有效地提高低噪声放大器的性能。如图3(b)是其等效电路，Rsub是衬底电阻，Rb是绑定线电阻、Cox1是金属层间的电容、Cox2是下层金属与衬底之间的电容、LB是绑定线电感。

在低噪声放大器的输出端，设置一个内部的输出管脚501，通过该管脚可以输出信号到芯片外部，在芯片外部接输出匹配网络。在内部管脚的两端设置调节电路400、谐振网络301和微调网络302。该管脚也可以不接到芯片外部，通过微调网络把放大的信号输出到下一级集成电路，例如到混频器。

调节微调网络302和调节电路400的电容C_m和Cd对三个谐振点的频率进行调节。也可以通过微调网络302的微调电感L_m对三个谐振点的频率进行调节。具体的电路结构见图1所示。

下面结合具体的实现电路做进一步的说明。

以1.2um CMOS工艺为例，图1带入实际的工艺参数，并考虑各种寄生参数，进行仿真分析。图4(a)～(b)是输入阻抗的虚部和实部的仿真匹配图。可以看出在三个频段：小于480MHz、大于500MHz小于1400MHz、大于1500MHz小于2500Mhz，输入电阻在50±10欧姆之间。虚部除在700MHz附近出现一个极点外，在其它需要的频段阻抗在±j15欧姆之间。

调节电路400是由一个可变电容构成的。该电容Cd可以是MOS电容，也可以是电容阵列。MOS电容可以连续可调可变电容的大小，而电容阵列对电容值的选择是不连续的。例如在该工艺电路参数下，设置Cd＝1.4pF，Cm＝8.6pF，瞬态仿真的结果如图5所示。第一个谐振点在530MHz，电压增益是21.3dB，带宽空间是40MHz时，电压增益是15dB；第二个谐振点是1570MHz，电压增益是22.8dB，带宽空间是50MHz时，电压增益是14.7dB；第三个谐振点是2410MHz，电压增益是20.5dB，带宽空间是60MHz时，电压增益是14.7dB。

调节可变电容Cd＝2.4pF，Cm＝8.6pF，仿真结果如图6所示。可以看出可变电容的变化对三个频段的频率和电压增益都有调节作用，从而实现对频段的调节。

在可变电容Cd＝1.6pF，Cm＝8.6pF时，表1是噪声指数(NF)的仿真结果。

表1

在表1的条件下，表2是该多模低噪声放大器1dB压缩点的仿真结果。

表2

综上所述，本发明利用一个窄带低噪声放大器电路实现了对多个频段射频信号的放大，通过输出端的频段调节电路400及微调网络302实现对多个谐振频率的调节，一方面可以克服由于工艺的变化及管脚(PAD)和绑定线(Bondingwire)对频率的影响；另一方面，也可以处理其它频段的信号。例如利用调节电路实现对430MHz、520MHz、1200MHz、1500MHz、1900MHz以及2400MHz频段信号的放大。本发明电路用1.2um CMOS工艺进行了系统仿真，其结果显示各个频段的噪声系数(NF)在0.8dB～4.5dB之间、1dB压缩点在-13dBm～5.5dBm之间，对以上频段输入匹配在50欧姆附近。

Claims (6)

1.一种多模低噪声放大器电路，其适合多个射频接收标准，是一种共源共栅结构的窄带放大器，其特征在于，包括：输入匹配网络、与该输入匹配网络相连的共源共栅放大器、与该共源共栅放大器相连的调节电路、与该调节电路相连的输出网络、以及与该输出网络相连的管脚电路，其中：

输入匹配网络，将天线接收的无线信号，在多个频段进行输入匹配网络的输入阻抗与天线的输出阻抗相匹配；

共源共栅放大器，提供对信号的放大；

输出网络，包括调谐网络和微调网络，通过微调该输出网络中电容和电感的值可以克服工艺变化、管脚及绑定线对频段的影响；

调节电路，通过调节输出网络的微调网络的电容及电感值和本调节电路的电容值，可以获得三个频段的谐振点；

管脚电路，包括依次串联在一起的绑定线电阻、绑定线电感、上层金属与下层金属之间的电容、下层金属与衬底之间的电容、以及衬底电阻，用于和电路外界信号交换。

2.根据权利要求1所述的多模低噪声放大器电路，其特征在于：所述的调节电路是由可变电容组成。

3.根据权利要求2所述的多模低噪声放大器电路，其特征在于：所述可变电容是MOS电容，通过电压调节电容的大小，改变谐振的频段。

4.根据权利要求2所述的多模低噪声放大器电路，其特征在于：所述可变电容是平板电容阵列，使用不同的电容获得一组三个不同的频段。

5.根据权利要求1所述的多模低噪声放大器电路，其特征在于：所述管脚电路中的I/O管脚的结构为：在多层金属层中，选择下面某一层金属通过内部电路至片外接地，选择上层金属做连接，与片内和片外电路相连。

6.根据权利要求1所述的多模低噪声放大器电路，其特征在于：所述微调网络可以对三个谐振点的增益在设定范围内调节。

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