CN101807883A - 一种应用于uwb系统的单端输入差分输出的低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种应用于UWB系统的单端输入差分输出的低噪声放大器

技术领域

本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，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。

背景技术

近年来，随着各种移动通信系统和无线数据传输技术如IEEE802.11a/b/g、WLAN、UWB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balun以实现将信号单端转双端的功能。然而balun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balun通常都是应用于窄带的，用于宽带的balun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R_b、共栅管跨导g_m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Z_in(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。

$Z_{\mathrm{in}}=\frac{1}{s{C}_{\mathrm{in}}}//\frac{1}{g_{\mathrm{mcg}}}//R_b=\frac{\frac{1}{g_{\mathrm{mcg}}}//R_b}{1+s{C}_{\mathrm{in}}(\frac{1}{g_{\mathrm{mcg}}}//R_b)}---\left(1\right)$

式(1)中C_in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，g_mcg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。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明设计了一种低噪声放大器，可应用于满足UWB(3.1～10.6GHz)标准的接收机中。该发明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balun的功能，即实现一个信号单端输入、双端输出的功能。

本发明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。

相对于传统的只能用于较低频带的结构，本发明主要做了如下改进：

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g_m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：

$Z_{\mathrm{in}}=\frac{s{L}_{\mathrm{cg}}}{s^2{L}_{\mathrm{cg}}{C}_{\mathrm{in}}+s{g}_{\mathrm{mcg}}{L}_{\mathrm{cg}}+1}---\left(2\right)$

式(2)中C_in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，g_mcg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M_cs和共栅支路之间就需要使用隔直电容C_c，对共源管M_cs采取另外加偏置，这样虽然在版图时会由于电容C_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_cs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_cs的跨导越大，电路噪声越小，提高M_cs的跨导可以通过提高共源管M_cs的宽长比或是增大M_cs的过驱动电压来实现，然而共源管M_cs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_cs的宽长比后，可以通过调整M_cs的偏置电压来调整M_cs的跨导，从而改善电路的噪声性能。

$F=1+\frac{R_S}{R_{\mathrm{cg}}}+\frac{1}{g_{\mathrm{mcs}}^2{R}_S{R}_{\mathrm{cs}}}+\mathrm{\γ}\frac{1}{g_{\mathrm{mcs}}{R}_S}---\left(3\right)$

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：

$\frac{V_0}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{1}{1+\frac{R_s}{R_b}+g_{\mathrm{mcg}}{R}_s}(g_{\mathrm{mcg}}\frac{R_{\mathrm{cg}}}{1+s{R}_{\mathrm{cg}}{C}_{\mathrm{cg}}}+g_{\mathrm{mcs}}\frac{R_{\mathrm{cs}}}{1+s{R}_{\mathrm{cs}}{C}_{\mathrm{cs}}})---\left(4\right)$

式(4)中C_cg和C_cs分别表示共栅支路和共源支路的负载端寄生电容。可见C_cg和C_cs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

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。

本发明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本发明单转双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真图。

图8本设计具体实施实例的输入参考三阶交调点仿真图。

具体实施方式

如图2中本发明的电路结构示意图所示，输入信号先经过串联bonding电感L_bonding(模拟芯片bonding时bonding线所引入的寄生电感，在1nH左右)和并联pad电容C_pad(模拟芯片的PAD和ESD电路所引入的寄生电容，在100fF左右)后经隔直电容C_c1至共栅支路和共源支路的输入点①。对于共栅支路，①经输入电感L_cg接地，同时接输入共栅管M_cg的源端，M_cg的漏端为输出的正端，同时接负载电阻R_cg，R_cg的另一端接负载差分电感L的一端。对于共源支路，①经隔直电容C_c2接输入共源管M_cs的栅端，同时M_cs的栅端经偏置电阻接一个偏置电压。M_cs管的源端接地，漏端为输出的负端，同时接负载电阻R_cs，R_cs的另一端接负载差分电感L的另一端。

将该结构的单转双低噪声放大器应用于MB-OFDM UWB全频段(3～10G)的单转双低噪声放大器电路中，其具体设计参数为：

L_bonding＝0.8nH，C_pad＝100fF，C_c1＝C_c2＝1.4pF；

L_cg＝4.1nH，L＝3.5nH，R_cg＝280Ω，R_cs＝150Ω

W_Mcg＝25um，W_Mcs＝50um，LMcg＝L_Mcs＝130nm；

V_b1＝V_b2＝550mV；

其中共栅支路电流约为1.5mA，共源支路电流约为3mA，总电流为4.5mA，总功耗为5.4mW。

另外输出测试buffer使用源跟随器，其示意图如附图2所示，其中W_M1＝W_M2＝32um，W_M3＝W_M4＝8um，L_M1＝L_M2＝L_M3＝L_M4＝130nm，V_b3＝1.2V，V_b4＝900mV，电流约为5mA，功耗为6mW。

电路仿真结果如图5、图6、图7、图8所示，从图示中可以看出在频段3～10G范围内，S11＜-10dB，S21在15～13.3dB，NF在4.5～3.7之间，线性度IIP3约为3.8dBm。可以看出，电路具有良好的宽带性能。

Claims (1)

1.一种应用于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。

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