CN101834576B - 多模可调谐cmos差分低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体为一种多模可调谐CMOS差分低噪声放大器，可用于DCS1800、PCS1900、WCDMA和Bluetooth多种无线通信标准。本发明中的低噪声放大器采用共源共栅源极退化电感结构，输出采用LC谐振网络，通过开关调节电容阵列，实现频带可调，配合片外输入阻抗匹配网络的调节，改变谐振频率，使得低噪声放大器工作在不同模式下。本发明实现了多模接收机中前端低噪声放大器，具有功耗低、噪声低、可调谐和芯片面积小等优点。

Description

多模可调谐CMOS差分低噪声放大器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种无线通信系统接收机前端电路低噪声放大器。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，新的通信标准不断涌现，设计可调节或可配置的多标准接收机成为趋势。在多标准接收机架构中，前端低噪声放大器作为无线通信接收机第一级，占有至关重要的地位。低噪声放大器尽量不恶化信噪比时放大有用的微弱信号，把信号输送到下一级混频器处理。

图1说明了低噪声放大器在无线通信接收机中的地位。作为无线通信接收机系统第一级，低噪声放大器的性能影响整个无线通信接收机：(1)低噪声放大器的噪声系数决定了无线通信接收机的噪声底限。(2)低噪声放大器需要足够的电压增益，抑制后级混频器和模拟基带对无线通信接收机系统的噪声贡献。(3)信号附近有强干扰时，低噪声放大器需要足够好的线性度，减小多阶交调分量。(4)低噪声放大器要求低输入反射系数，与前级天线或滤波器做阻抗匹配，使功率传输最大化。低噪声放大器的性能参数噪声系数、电压增益、线性度和输入反射系数是相互影响，相互制约的，设计时需要在各参数之间折衷，综合考虑。

多标准前端低噪声放大器的主要有两种结构：多个窄带低噪声放大器并联输入和宽带结构。前者可实现较好的噪声系数和增益，但是芯片面积和功耗较大。后者可实现多标准多频段覆盖，但对Blocker的抑制不够好，影响整个接收机的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种功耗低，芯片面积小，而且增益高，线性度好的CMOS差分低噪声放大器。

本发明设计的CMOS差分低噪声放大器，是一个可调谐的差分多标准窄带低噪声放大器，通过开关调节电容阵列改变输出谐振频率，调节片外匹配网络实现输入阻抗匹配，使得低噪声放大器可以工作在不同通信标准下。另一方面，考虑到无线通信系统的功耗要求，本发明实现了低功耗条件下低噪声、高增益、低输入反射系数和高线性度。

本发明设计的CMOS差分低噪声放大器包含共源共栅放大器、输入阻抗匹配网络、可调谐输出LC谐振网络和偏置电路；还包含第一电容C1和第二电容C2，这2个电容都是交流耦合电容；其中：

a、所述的共源共栅放大器包含第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3和第四NMOS管M4；

b、所述的输入阻抗匹配网络包括第一电感Lg1、第二电感Lg2、第三电感Ls、第三电容Cg1、第四电容Cg2、第五电容Cex1和第六电容Cex2；

c、所述的可调谐输出LC谐振网络包括第四电感Lo、第五NMOS管M5、第六NMOS管M6、第七NMOS管M7、第八NMOS管M8、第七电容Ca1、第八电容Ca2、第九电容Cb1、第十电容Cb2、第十一电容Cc1、第十二电容Cc2、第十三电容Cd1和第十四电容Cd2；可调谐输出LC谐振网络实现选频功能，并且可调谐输出LC谐振网络在直流时不消耗电压裕度，提高输出的动态范围；

d、所述的偏置电路包括第九NMOS管MB、第一电阻RB1和第二电阻RB2；

第三电感Ls和第四电感Lo为带中心抽头的差分电感；差分信号输入端先并联第三电容Cg1和第四电容Cg2，后串联第一电感Lg1和第二电感Lg2，经交流耦合电容第一电容C1和第二电容C2连接到共源共栅管第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的栅极；第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的栅源并联第五电容Cex1和第六电容Cex2，第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的源极与第三电感Ls差分端相连，第三电感Ls中心端连接到电源负端GND；共源管第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的漏极分别与共栅管第三NMOS管M3和第四NMOS管M4的源极相连；共栅管第三NMOS管M3和第四NMOS管M4的漏极连接输出匹配网络；偏置电路中第九NMOS管MB栅极漏极相连，经第一电阻RB1和第二电阻RB2连接到第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的栅极。

本发明的优点为：

a、在低功耗条件(电路功耗4mW)下实现了用于DCS1800、PCS1900、WCDMA和Bluetooth多模可调谐差分CMOS差分低噪声放大器。

b、本发明使用两个片上带中心抽头的差分电感，减小了芯片面积。

c、设计中输入共源管栅源间并联电容，减小噪声匹配和功率匹配间的差距，并有效减小工艺偏差对输入阻抗匹配的影响。

附图说明

图1：多模无线通信系统中低噪声放大器。

图2：本发明多模可调谐CMOS差分低噪声放大器电路图。

图3：本发明中Bluetooth模式下的可调谐输出LC谐振网络。

具体实施方式

现结合附图2和附图3详细描述本发明的技术方案

如图2所示，本发明多模可调谐CMOS差分低噪声放大器包括输入匹配网络，共源共栅放大电路，可调谐输出LC谐振网络。可调节输入阻抗匹配网络由第一电感(Lg1)、第二电感(Lg2)、第三电感(Ls)、第三电容(Cg1)、第四电容(Cg2)、第五电容(Cex1)和第六电容(Cex2)组成，实现多种无线通信标准不同频带下输入阻抗匹配。在低功耗条件下，输入匹配网络中在第一NMOS管(M1)和第二NMOS管(M2)的栅源间并联第五电容(Cex1)和第六电容(Cex2)，减小噪声匹配和功率匹配间的差距，并有效减小工艺偏差对输入阻抗匹配的影响。

多模可调谐CMOS差分低噪声放大器工作时，输入阻抗匹配网络经过串并联转换，从栅极看进去的阻抗为：

$Z_g=\frac{g_m{L}_s}{C_t}{\left(\frac{C_t}{C_t+C_p}\right)}^2+\frac{1}{s(C_t+C_p)}\≤\frac{1}{4}\frac{g_m{L}_s}{C_p}+\frac{1}{s(C_t+C_p)}---\left(1\right)$

其中g_m是输入共源管第一NMOS管(M1)和第三NMOS管(M3)的跨导，Cp是总的栅极等效寄生电容，Cgs是第一NMOS管(M1)和第三NMOS管(M3)的栅源电容，Cex是第五电容(Cex1)和第六电容(Cex2)的电容值，Ct＝Cgs+Cex。在低功耗限制下，选取Ct＝Cp，达到阻抗匹配所需的g_m最小，同等过驱动电压下功耗最小，并且有效减小了工艺波动对输入阻抗匹配的影响。在低功耗条件下，gm较小，导致Zg的实部小于特征源阻抗Rs，片外L型匹配网络先串联电感再并联电容。从端口看进去输入阻抗的实部为(2)式，谐振时输入阻抗实部Rin＝Rs，虚部为0。

$R_s=R_{\mathrm{in}}=\frac{1}{{\left({\mathrm{\ω}}_0{C}_g\right)}^2}{\left(\frac{C_t+C_p}{C_t}\right)}^2\frac{C_t}{g_m{L}_s}---\left(2\right)$

共源共栅放大器包含第一NMOS管(M1)、第二NMOS管(M2)、第三NMOS管(M3)和第四NMOS管(M4)。共栅管第二NMOS管(M2)和第四NMOS管(M4)在第一NMOS管(M1)和第三NMOS管(M3)的漏极引入低阻节点，减小了第一NMOS管(M1)和第三NMOS管(M3)的Miller效应，并提高了多模可调谐CMOS差分低噪声放大器的反向隔离度，改善了电路的稳定性。

可调谐输出LC谐振网络包括第四电感(Lo)、第五NMOS管(M5)、第六NMOS管(M6)、第七NMOS管(M7)、第八NMOS管(M8)、第七电容(Ca1)、第八电容(Ca2)、第九电容(Cb1)、第十电容(Cb2)、第十一电容(Cc1)、第十二电容(Cc2)、第十三电容(Cd1)和第十四电容(Cd2)。可调谐输出LC谐振网络实现选频功能，并且可调谐输出LC谐振网络在直流时不消耗电压裕度，提高输出的动态范围。控制NMOS开关管第五NMOS管(M5)、第六NMOS管(M6)、第七NMOS管(M7)和第八NMOS管(M8)导通和关闭，实现可调谐输出LC谐振网络。当第五NMOS管(M5)的栅极电压为1.2V电源电压，第六NMOS管(M6)、第七NMOS管(M7)和第八NMOS管(M8)为0V时，第五NMOS管(M5)导通，第六NMOS管(M6)、第七NMOS管(M7)和第八NMOS管(M8)关闭，第五NMOS管(M5)等效为一个导通电阻，可调谐输出LC谐振网络谐振频率在Bluetooth的频带内中心频率的位置。应用同样的原理，可调谐输出LC谐振网络可分别实现DCS1800、PCS1900和WCDMA无线通信协议下输出LC谐振，实现电路的选频功能。NMOS开关管第五NMOS管(M5)、第六NMOS管(M6)、第七NMOS管(M7)和第八NMOS管(M8)导通时等效为电阻，同时还存在寄生电容。NMOS开关管的沟道长度选择最小尺寸，同时沟道宽度越大，导通电阻越小，但是寄生电容也越大。NMOS开关管第五NMOS管(M5)、第六NMOS管(M6)、第七NMOS管(M7)和第八NMOS管(M8)尺寸选择要在导通电阻和寄生电容之间做权衡。

共源共栅放大器中第一NMOS管(M1)、第二NMOS管(M2)、第三NMOS管(M3)和第四NMOS管(M4)在版图中采用NMOS深阱管，可有效隔离数字电路引入的衬底噪声，减小自身衬底电阻热噪声。第三电感(Ls)和第四电感(Lo)采用片上带中心抽头的差分电感，保证了信号差分性，减小了芯片面积。

多模可调谐CMOS差分低噪声放大器的功耗主要是静态直流电流功耗。在低功耗条件下，第一NMOS管(M1)和第三NMOS管(M3)的尺寸比较小，栅源电容较小，输入阻抗匹配时第一电感(Lg1)和第二电感(Lg2)感值较大，而第一电感(Lg1)和第二电感(Lg2)寄生电阻与感值是弱线性关系，导致第一电感(Lg1)和第二电感(Lg2)噪声贡献很大。所以在栅源间并联电容第五电容(Cex1)和第六电容(Cex2)，实现低功耗下输入阻抗匹配，并减小第一电感(Lg1)和第二电感(Lg2)的噪声贡献。当第一NMOS管(M1)、第二NMOS管(M2)沟道热噪声和第一电感(Lg1)、第二电感(Lg2)寄生电阻噪声贡献近似相等时，总的等效输入噪声电压最小。

最后所应说明的是，以上实施仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种多模可调谐差分CMOS差分低噪声放大器，包含共源共栅放大器、输入阻抗匹配网络、可调谐输出LC谐振网络和偏置电路；还包含第一电容(C1)和第二电容(C2)，这2个电容都是交流耦合电容；其中：

a、所述的共源共栅放大器包含第一NMOS管(M1)、第二NMOS管(M2)、第三NMOS管(M3)和第四NMOS管(M4)；

b、所述的输入阻抗匹配网络包括第一电感(Lg1)、第二电感(Lg2)、第三电感(Ls)、第三电容(Cg1)、第四电容(Cg2)、第五电容(Cex1)和第六电容(Cex2)；

c、所述的可调谐输出LC谐振网络包括第四电感(Lo)、第五NMOS管(M5)、第六NMOS管(M6)、第七NMOS管(M7)、第八NMOS管(M8)、第七电容(Ca1)、第八电容(Ca2)、第九电容(Cb1)、第十电容(Cb2)、第十一电容(Cc1)、第十二电容(Cc2)、第十三电容(Cd1)和第十四电容(Cd2)；其中，第七电容(Ca1)、第八电容(Ca2)和第五NMOS管(M5)串联，第五NMOS管(M5)在第七电容(Ca1)与第八电容(Ca2)之间；同理第六NMOS管(M6)在第九电容(Cb1)与第十电容(Cb2)之间，第七NMOS管(M7)在第十一电容(Cc1)与第十二电容(Cc2)之间，第八NMOS管(M8)在第十三电容(Cd1)与第十四电容(Cd2)之间；然后第四电感(Lo)与第七电容(Ca1)、第八电容(Ca2)、第九电容(Cb1)、第十电容(Cb2)、第十一电容(Cc1)、第十二电容(Cc2)、第十三电容(Cd1)和第十四电容(Cd2)组成的电容阵列并联；可调谐输出LC谐振网络实现选频功能，并且可调谐输出LC谐振网络在直流时不消耗电压裕度，提高输出的动态范围；

d、所述的偏置电路包括第九NMOS管(MB)、第一电阻(RB1)和第二电阻(RB2)；

第三电感(Ls)和第四电感(Lo)为带中心抽头的差分电感；差分信号输入端先并联第三电容(Cg1)和第四电容(Cg2)，后串联第一电感(Lg1)和第二电感(Lg2)，经交流耦合电容第一电容(C1)和第二电容(C2)连接到共源管第一NMOS管(M1)和第二NMOS管(M2)的栅极；第一NMOS管(M1)和第二NMOS管(M2)的的栅级与源级之间并联第五电容(Cex1)和第六电容(Cex2)，第一NMOS管(M1)和第二NMOS管(M2)的源极与第三电感(Ls)差分端相连，第三电感(Ls)中心端连接到电源负端(GND)；共源管第一NMOS管(M1)和第二NMOS管(M2)的漏极分别与共栅管第三NMOS管(M3)和第四NMOS管(M4)的源极相连；共栅管第三NMOS管(M3)和第四NMOS管(M4)的漏极连接输出匹配网络；偏置电路中第九NMOS管(MB)栅极漏极相连，经第一电阻(RB1)和第二电阻(RB2)连接到第一NMOS管(M1)和第二NMOS管(M2)的栅极。

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