CN101924524A

CN101924524A - 一种带有片上有源Balun的差分CMOS多模低噪声放大器

Info

Publication number: CN101924524A
Application number: CN 201010262100
Authority: CN
Inventors: 任俊彦; 张楷晨; 周锋; 李巍; 李宁; 许俊; 叶凡
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: CN101924524B

Abstract

本发明属于射频集成电路技术领域，具体为一种带有片上有源Balun的差分CMOS多模低噪声放大器。该低噪声放大器可用于0.5~10.6GHz的多模接收机前端中。它由匹配级、放大级、反馈级和负载级组成第一级放大器，有源片上Balun构成第二级放大器。其中，匹配级使用反馈电感调谐宽带输入阻抗；放大级使用电流复用的共源级NMOS管与PMOS管作为输入端；输入NMOS管栅极与电流跟随器NMOS管漏极之间的NMOS管与电阻构成“电压-电流”型负反馈通路；负载级使用电阻负载。第二级放大器的有源Balun分别使用共源和源跟随器实现Balun的单转双功能。本发明结构简单，占用芯片面积小，功耗低，带宽覆盖范围大，增加电路可实用性。

Description

一种带有片上有源Balun的差分CMOS多模低噪声放大器

技术领域

本发明为射频集成电路技术领域，具体涉及一种高增益、低噪声和良好输入匹配的、带有片上有源Balun的差分低噪声放大器的设计，特别应用于0.5~10.6GHz的多模接收机前端。适用于包括GSM、WCDMA、Bluetooth、WLAN、UWB等多模接收机系统中。

背景技术

多模式射频接收机系统是当前学术界和工业界的研究热点。通过单一的接收机链路实现多种通信模式的兼容，可以同时降低整机的功耗以及芯片的面积。

低噪声放大器是接收机前端中最关键的模块之一，其作用就是将天线接收到的微弱信号放大并抑制接收机后级电路的噪声。这要求低噪声放大器必须提供足够的增益，同时以保证后级噪声不会对系统性能造成过大的影响。低噪声放大器的增益往往与功耗成正比，而对于射频接收机系统而言，低功耗是其基本要求，因此在保证足够增益的情况下如何减小功耗是应用于射频接收机系统中LNA设计的重要难题。另外，与传统的窄带LNA不同，同时满足多种通信模式的覆盖0.5~10.6GHz的超级宽带的LNA的带宽高达十几个GHz，在整个工作频段内保持良好的输入匹配、增益平坦度及低噪声也是很难达到的性能要求。

综上分析，针对CMOS宽带低噪声放大器（特别是应用于超级宽带多模式射频接收机系统）的设计，如何实现增益、功耗、面积（较少电感）、宽带输入匹配、线性度及稳定性等性能的优化提高，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明目的是提供一种带有片上有源Balun的差分CMOS低噪声放大器电路，以克服现有技术存在的不足，提供一种可以覆盖0.5~10.6GHz超级宽频带范围内的，兼容GSM、WCDMA、Bluetooth、WLAN、UWB等多种通信模式的LNA，该结构LNA可应用于接收机前端中，由于其自带的片上Balun具有单端输入差分输出功能，因此减少了对片外器件的需求，提高电路工作室的可靠性，具有良好的宽频带输入匹配、高增益、低功耗，良好的噪声系数，同时只占用较小的芯片面积。

本发明提出的差分CMOS低噪声放大器，如图1中所示，由匹配级、放大级、反馈级和负载级、Balun输出级五个部分组成，其中：

匹配级1，用以接收输入信号，使信号源与输入阻抗良好匹配；

放大级2，连接于所述匹配级与输出端之间，完成所述匹配级输出电压信号的跨导放大；

负载级4，连接于电源与所述输出端之间，用以输出放大信号。为了减小芯片面积，负载级只使用电阻，把电流重新转换成电压信号；

反馈级3，连接于所述匹配级与所述输出端之间，同时与匹配级组成匹配网络，与放大级一起获得一定的输入阻抗；同时与负载级、放大级一起保证增益的稳定与增益的带宽。

Balun输出级5，与放大级输出端相连，用以将第一级放大器输出的单端信号转换成差分信号，同时不影响第一级放大器的性能。

进一步地，如图2所示，所述匹配网络是由所述匹配级与所述反馈级共同作用组成的；其中所述匹配级为一2阶LC带通滤波网络，实现宽带输入匹配，其由接信号输入端的芯片封装键合线的等效电感L _bonding与ESD PAD的等效电容C _Pad构成匹配级输入，并与芯片内第一隔直电容C ₁、反馈电感L通过米勒效应等效到输入端的等效电感L’及所述放大级等效输入电容C _in顺次相连。

进一步地，如图3所示，所述放大级包含：以共栅共漏相连接的PMOS管M ₂与NMOS管M ₁对管，是源极放大器，其栅极均与所述匹配级的所述反馈回路电感相连，其中所述NMOS管M ₁的源极直接接地。还包含: NMOS管M ₃，该NMOS管M ₃和所述PMOS管M ₂与NMOS管M ₁对管的漏极相连接，作为共栅极电流跟随器，其输入阻抗约1/g_m，它一方面可以减小输入对管栅漏电容（米勒等效电容）对电路的影响，另一方面，所述NMOS管M ₃可以隔离输入和输出级，保证电路有很好的隔离度；其栅极与偏置直流电压相连接，其漏极与所述输出端V_out相连。反馈回路电感通过类似于米勒效应的作用，在输入级电流复用管的栅极和电流跟随器NMOS管M₃的漏极两处分别产生一个等效电感分量；

进一步地，如图8所示，所述反馈级包括： NMOS管M ₄，其栅极与所述输出端V_out相连，漏极接电源，源极通过NMOS管M₅形成的电流源接地；反馈电阻RF通过隔直电容与NMOS管M₄相连，反馈电感L一端与反馈电阻相连，另一端与输入NMOS管M₁和PMOS管M₂相连。该反馈级在使用一个反馈电阻并只增加一个反馈电感的情况下，同时满足宽带的匹配的带宽要求。

进一步地，如图8所示，在由匹配级、放大级、反馈级和负载级组成的第一级放大器和由Balun输出级组成的第二级放大器之间增加电感L_B，用来谐振掉部分由第二级放大器栅极带来的寄生电容，已达到拓展带宽的目的。

进一步地，如图7所示，所述Balun输出级中，NMOS管M₆和第二级负载电阻R_L2组成共源级放大器，其输出信号与第一级放大器单端输出信号成180°反相；NMOS管M₇和NMOS管M₈组成源跟随器，其输出信号与第一级放大器单端输出信号保持同相。实现单端输入差分输出的功能。由于Balun输出级都是栅极输入，因此不会影响第一级放大器的性能。

在宽带放大器的设计中，在负载极通常习惯使用电感来谐振该点的寄生电容，因为负载端的寄生电容会使高频端增益严重衰减。本电路中，所述负载级，其每一个支路只使用一个电阻，这主要出于两方面的考虑：首先使用负载电感会占用较大的芯片面积；另外，由于寄生电容引起的高频增益衰减可以通过所述反馈回路电感进行补偿，相对负载使用的电感，反馈电感L要小的多，减小了芯片面积。所述电阻其一端接电源VDD；另一端接所述输出端V_out，与所述NMOS管M ₃的漏极相连。

本发明所做的突出改进主要体现在如下三方面：

第一，针对低功耗和高增益的应用进行了改进。如图4为传统的单端共源共栅电阻负反馈放大器的基本结构，电路的增益取决于M _N的跨导g _m和负载阻抗R _L，为了获得高增益，要么增大跨导g _m，意味着电路较大的功耗；要么增大负载阻抗R _L，意味着带宽的降低。同时，这两种方式都不可避免地增大负载电阻R _L上的直流压降，因而限制了单级放大电路的增益，也限制了电路工作于低电源电压下。因此可以如图5所示，可以在M _N的漏极注入一定的直流电流I _B1，降低负载电阻上的直流压降而不影响电路的小信号增益。为了进一步利用I _B1，利用电流复用技术，如图6所示，可以在该直流通路上加入PMOS管M _P，与输入NMOS管M _N一样，作为共源级放大，提供一定的跨导，在不增大电流的情况下，提高了电路的增益。另外，PMOS管分流了负载电阻的直流电流，提高了输出端的直流电压余度。

第二，使用反馈回路电感L的米勒效应，等效到输入输出的电感分量，实现对高频增益进行拓展，同时改善因高频增益下降而恶化的高频输入匹配。相比其他宽频带的LNA，本发明只是用反馈回路一处电感既可以很好的同步实现宽频带的输入匹配和增益带宽扩展，实现高性能的同时，减小了芯片面积。

第三，由于多模接收机前端覆盖的频率范围从500MHz到10.6GHz，如此宽的范围对于片外Balun的要求是非常高的，比较难以实现，因此本发明将单端输入的LNA与新型的片上有源Balun结合设计，实现了宽频带的片上单端输入差分输出功能，减少对片外元件的需求，保证电路的稳定工作。

附图说明

通过以下对本发明的实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1：本发明LNA的结构框图。

图2：本发明LNA等效匹配网络示意图。

图3：本发明LNA放大级基本电路原理图。

图4：传统的单端共源共栅电阻负反馈放大器的基本结构示意图。

图5：本发明漏极注入直流电流原理图。

图6：本发明突出改进之反馈回路电感示意图。

图7：本发明突出改进之有源Balun结构示意图。

图8：本发明具体实施例电路图。

图9：本发明具体实施例电路输入匹配S11仿真结果图。

图10：本发明具体实施例电路输入匹配S21仿真结果图。

图11：本发明具体实施例噪声系数NF仿真结果图。

图12：本发明具体实施例差分输出端增益失配仿真结果图。

图13：本发明具体实施例差分输出端相位失配仿真结果图。

图14：本发明具体实施例2GHz频段的线性度仿真结果图。

图中标号：1为匹配级，2为放大级，3为反馈级，4为负载级，5为Balun输出级。

具体实施方式

下面给出一个具体的实施例：

如图8所示，该实例电路为带有片上有源Balun的差分CMOS LNA在多模射频接收机中的应用，其工作频段为0.5~10.6GHz，兼容GSM、WCDMA、Bluetooth、WLAN、UWB等多种标准。

NM1=5*8/0.13um

NM2=12/0.13um

NM3=30/0.13um

NM4=50/0.13um

NM5=16/0.3um

NM6=4/0.13um

NM7=15/0.13um

NM8=22/0.13um

R_L=90

R_F=200

R_L2=130

L=1.8nH

L_B=3.8nH

电路工作在1.2V电压，消耗电流11.8mA。电路性能：输入匹配S11≤-10dB，噪声系数NF为3.2~4.3dB，增益S21为17.3~20.5dB，覆盖频带0.5~10.6GHz，2GHz频段的线性度为-2dBm，可见，电路具有良好的宽带性能。Balun输出级的差分输出端之间的增益失配在1.6dB以内，相位失配在2.3°以内，完全可以满足作为Balun的性能要求。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，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中。

Claims

1.一种带有片上有源Balun的差分CMOS多模低噪声放大器，其特征在于，由下述五部分组成：

匹配级，用以接收输入信号；

放大级，连接于所述匹配级与输出端之间，用以放大所述匹配级的输出信号；

负载级，连接于电源与所述输出端之间，用以输出放大信号；

反馈级，连接于所述匹配级与所述输出端之间，该反馈级依据所述放大级输出的放大信号产生一反馈信号，并将所述反馈信号反馈至所述匹配级；

Balun输出级，连接于放大级的输出端，分别由共源极放大器和源跟随器组成差分输出放大级。

2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述匹配级为一2阶LC带通滤波网络，由接信号输入端的芯片封装键合线的等效电感与接地的ESD PAD等效电容构成匹配级输入，并与芯片内第一隔直电容、来自于反馈回路电感米勒效应分量的并联电感，及所述放大级等效输入电容顺次连接。

3.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述放大级包含：

以共栅共漏相连接的PMOS管（M₂ ）与第一NMOS管（M₁），其栅极均与所述匹配级的所述反馈回路串联电感相连，其中所述第一NMOS管（M₁）源极接地或者接尾电流源，所述PMOS管（M₂）源极接1.2V电源；

放大级还包含第二NMOS管（M₃），其源极和所述PMOS管（M₂）与第一NMOS管（M₁）的漏极相连接，作为共栅极电流跟随器，其栅极与偏置直流电压相连接并通过电容交流接地，其漏极与所述输出端相连。

4.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述反馈级饱含：第三NMOS管（M₄），其栅极与所述输出端V_out相连，漏极接电源，源极通过第四NMOS管（M₅）形成的电流源接地；反馈电阻RF通过隔直电容与第三NMOS管（M₄）相连，反馈电感L一端与反馈电阻相连，另一端与输入第一NMOS管（M₁）和PMOS管（M₂）相连。

5.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述负载级，使用一个负载电阻，所述负载电阻的一端接电源，另一端接所述输出端，并与所述第二NMOS管（M₃）的漏极相连。

6.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，由前述匹配级、放大级、反馈级、负载级组成单端第一级LNA，由Balun输出级组成第二级LNA，将经过前述放大级的单端信号转换成差分信号。

7.如权利要求1或6所述的低噪声放大器，其特征在于，所述Balun输出级，采用共源极和源跟随器组成差分输出，由第五NMOS管（M₆）和电阻R_L2组成共源级放大器，第六、第七NMOS管（M₇、M₈）组成源跟随器，实现单端输入差分输出。