CN101944888A

CN101944888A - 一种可变增益低噪声驱动放大器

Info

Publication number: CN101944888A
Application number: CN 201010276627
Authority: CN
Inventors: 刘盛富; 陈磊; 赖宗声; 张伟; 华林; 张书霖; 苏杰; 阮颖
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2030-09-09
Also published as: CN101944888B

Abstract

本发明公开了一种可变增益低噪声驱动放大器，该放大器采用全差分共源共栅结构，共栅级采用三个并排的锗化硅双极型晶体管，中间的锗化硅双极型晶体管采用并联电容反馈，采用合理的输入输出匹配电路，为电路提供一个高的可变增益，降低了噪声系数。其中共源共栅电路在提供高增益的同时增加了电路的反向隔离度，共源放大电路进一步提高了电路的增益。通过控制外接偏压的选择获得3dB步长的可变增益。本发明具有可变增益高，低噪声，功耗低的特点。

Description

一种可变增益低噪声驱动放大器

技术领域

本发明属于射频集成电路设计的技术领域，涉及一种锗化硅双极一互补金属氧化物半导体(SiGe BiCMOS)射频集成电路，具体地说是一个应用于860～960MHz频段的SiGe BiCMOS工艺可变增益低噪声驱动放大器。

背景技术

近年来，随着射频集成电路技术的迅速发展，日常生活中使用到了许多无线通信产品，低成本和便携性要求对这些无线通信产品设计提出了更高的标准。低噪声驱动放大器位于射频前端，接受来自混频器的信号然后发送给功率放大器，由于混频器的转换增益不高，而功率放大器又需要较大的输入信号，因此需要低噪声驱动放大器来实现功率放大。目前，利用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺集成单芯片射频收发机已经成功案例，但是集成可变增益的低噪声驱动放大器仍然是一大挑战。由于驱动放大器需要实现低噪声，而且尽可能的做到增益可变，故而高的可变增益和低的噪声系数，将是驱动放大器的设计关键。而采用CMOS技术单片集成可变增益低噪声驱动放大器，又受到器件较低的击穿电压，较大的寄生噪声，较小的电流驱动能力和较高衬底损耗的影响，性能很难达到要求。因此，利用与CMOS工艺相近的特种工艺条件实现可变增益低噪声驱动放大器在势在必行。

与传统互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺相比，SiGe BiCMOS兼有双极型(Bipolar)与CMOS工艺的特点，能同时满足射频系统性能以及低功耗的要求。SiGe BiCMOS工艺具有更高的特征频率，典型的0.35um SiGe BiCMOS技术具有45GHz以上的特征频率；同时，SiGeBiCMOS工艺的Bipolar器件具有较小的基极电阻和较小的寄生电容，从而能有效减少噪声。另外，SiGe BiCMOS技术能充分改善Bipolar器件的放大性能，提高增益，从而特别适合于驱动放大器的应用。

图1示出了传统低噪声驱动放大器电路图。如图1所示，传统低噪声驱动放大器由差分共源共栅连接的CMOS晶体管组成。其中M1，M3和M2，M4为共源共栅放大管，L5和L6为负载电感，L1和L2为输入匹配电感，L3和L4为源极负反馈电感，R1，R2为偏置电阻，C1和C2为输入匹配电容，C3和C4为反馈电容，C5和C6为输出匹配电容。

可变增益低噪声驱动放大器的主要参数有：可变的电压/功率增益、噪声系数、线性度、输入信号频率、输入输出匹配、反向隔离和功耗。由于这些参数是相互关联、相互制约的，因此在保证驱动放大器增益尽可能高并且可变的基础上，采用何种折衷方案来提高驱动放大器的整体性能成了设计的主要难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种SiGe BiCMOS可变增益低噪声驱动放大器，它可以实现860～960MHz频段的覆盖，支持GSM900，WCDMA及RFID等通信协议。该驱动放大器可以实现三种不同的增益模式、低的噪声系数和较高的线性度。

本发明结合锗化硅双极-异质结双极晶体管(SiGe HBT)的优点，采用全差分共源共栅电路结构。该驱动放大器包括由电阻接偏压为共发射极晶体管电路提供基极偏置，由共源共栅HBT晶体管构成放大电路，共源极采用三个并排的异质结双极晶体管(HBT)，其中一个共源极Bipolar HBT带有负反馈电容，共栅极由一个Bipolar HBT构成。

本发明的具体技术方案是：

一种可变增益低噪声驱动放大器，该驱动放大器包括差分信号输入端RFIN1及RFIN2、差分信号输出端RFOUT1及RFOUT2、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7、第八晶体管Q8、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12，地线端GND，具体连接方式：第一晶体管Q1的基极与第三电容C3和第一电阻R1连接，发射极与地线端GND连接，集电极与第三晶体管Q3的集电极、第五晶体管Q5的集电极和第七晶体管Q7的发射极连接；第二晶体管Q2的基极与第四电容C4和第二电阻R2连接，发射极与地线端GND连接，集电极与第四晶体管Q4的集电极、第六晶体管Q6的集电极和第八晶体管Q8的发射极连接；第三晶体管Q3的基极与第五电容C5、第三电阻R3和第九电容C9连接，发射极与地线端GND连接，集电极与第一晶体管Q1的集电极、第五晶体管Q5的集电极和第七晶体管Q7的发射极连接；第四晶体管Q4的基极与第六电容C6、第四电阻R4和第十电容C10连接，发射极与地线端GND连接，集电极与第二晶体管Q2的集电极、第六晶体管Q6的集电极和第八晶体管Q8的发射极连接；第五晶体管Q5的基极与第七电容C7和第五电阻R5连接，发射极与地线GND连接，集电极与第三晶体管Q3的集电极、第五晶体管Q5的集电极和第七晶体管Q7的发射极连接；第六晶体管Q6的基极与第八电容C8和第六电阻R6连接，发射极与地线GND连接，集电极与第二晶体管Q2的集电极、第四晶体管Q4的集电极和第八晶体管Q8的发射极连接；第七晶体管Q7的基极与电源端VDD连接，发射极与第一晶体管Q1、第三晶体管Q3和第五晶体管Q5的集电极连接，集电极与第三电感L3和第十一电容C11连接；第八晶体管Q8的基极与电源端VDD连接，发射极与第二晶体管Q2、第四晶体管Q4和第六晶体管Q6的集电极连接，集电极与第四电感L4和第十二电容C12连接；第一电容C1跨接在输入端RFIN1和地线端GND之间；第二电容C2跨接在输入端RFIN2和地线端GND之间；第一电感L1跨接在输入端RFIN1和第三电容C3、第五电容C5和第七电容C7之间；第二电感跨接在输入端RFIN2和第四电容C4、第六电容C6和第八电容C8之间；第九电容C9跨接在第三晶体管Q3的基极和发射极之间；第十电容C10跨接在第四晶体管Q10的基极和发射极之间；第三电感L3跨接在第七晶体管Q7和电源端VDD之间，第四电感L4跨接在第八电感L8和电源端VDD之间；第十一电容C11跨接在第七晶体管Q7和输出端RFOUT1之间；第十二电容C12跨接在第八晶体管Q8和输出端RFOUT2之间；第一电阻R1跨接在第一晶体管Q1的基极和第三偏压BIAS3之间；第二电阻R2跨接在第二晶体管Q2基极和第三偏压BIAS3之间；第三电阻R3跨接在第三晶体管Q3基极和第一偏压BIAS1之间；第四电阻R4跨接在第四晶体管Q4基极和第一偏压BIAS1之间；第五电阻R5跨接在第五晶体管Q5基极和第二偏压BIAS2之间；第六电阻R6跨接在第六晶体管Q6基极和第二偏压BIAS2之间。

所述第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7、第八晶体管Q8为锗化硅双极型晶体管。

与传统的驱动放大器相比，本发明主要有以下几个优点：

1、高的可变增益

本发明的SiGe BiCMOS可变增益低噪声驱动放大器可以实现12dB、15dB和18dB三种可变的高功率增益，并且实现良好的输入输出匹配，增益控制通过外接偏压决定。

2、低噪声

本发明的SiGe BiCMOS可变增益低噪声驱动放大器采用SiGe BiCMOS工艺，噪声系数较小，对于射频前端有更好的噪声和灵敏度整体性能。

3、功耗低

本发明的SiGe BiCMOS可变增益低噪声驱动放大器的低功耗特性用以下指标表征：供电电压为1.8V，低于传统CMOS功率放大器的3.3V/5V供电。

附图说明

图1为传统的驱动放大器的电路图

图2为本发明的电路图

图3为本发明的增益特性曲线图

具体实施方式

下面详尽介绍本发明的工作过程。

参阅图2，本发明接收来自混频器的射频信号，经过放大后输出给功率放大器，然后再由天线发射出去。电源电压VDD采用1.8V，BIAS1端、BIAS2端和BIAS3端偏置在800mV，通过合理调整偏置电阻使晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6分别偏置在放大区和饱和区边界以得到较高的跨导和较低的噪声系数。全差分的电路结构有利于电路的稳定性和更好的整体性能。射频差分输入信号通过RFIN1端和RFIN2端差分输入，通过RFOUT1端和RFOUT2端差分输出。本发明采用经典的共源共栅结构，可以得到高的功率增益、好的反向隔离、较好的线性度以及较宽的频率带宽。晶体管Q1、Q2和Q3组成可变增益的共源极跨导管，通过选择Q1、Q3和Q5的管子发射极长度和宽度，以此来实现步长3dB的可变增益。当BIAS1接800mV偏压而BIAS2和BIAS3不接偏压时，整个驱动放大电路可以实现12dB的功率增益；当BIAS1和BIAS2接800mV偏压而BIAS3不接偏压时，整个驱动放大电路可以实现15dB的功率增益；当BIAS1、BIAS2和BIAS3都接800mV偏压时，整个驱动放大电路可以实现18dB的功率增益。电容C9的作用是为了实现功率增益可变时输入端更好的匹配以及较高的线性度的要求，但电容值的选取不可太大，防止带来过大的噪声。可变外接偏压的选择通过外接的数字控制装置根据整个电路系统的性能要求来选定。晶体管Q7作为共源共栅的共栅器件，把跨导管的电流增益转换为电压增益，以此来获得功率增益。晶体管Q7的管子选择要在保证电流密度不过大的基础上尽量少的带来电路噪声。由于电路的低噪声需求，减小电感寄生电阻带来的噪声，该驱动放大器并没有采用传统的L型网络匹配，而是采用LC串联再外接对地电容，跨导管只有晶体管Q1才并联有反馈电容，即可实现电路的增益和噪声性能，而不是在晶体管Q1、Q2和Q3三个管子都并联电容，简化了电路结构，从而电路的整体噪声会大大减小，实现驱动放大器增益可变的同时又实现了电路的低噪声，提高了整个射频前端电路系统的灵敏度和稳定性。输出端采用LC谐振网络，得到高增益的同时实现良好的输出匹配。由于电路采用的是全差分结构，所以左右两边电路完全相同。

参阅图3，该图反映了本发明的SiGe BiCMOS可变增益低噪声驱动放大器的性能结果，从图中可以看出，功率增益分别达到了12dB、15dB和18dB。

本发明所有器件尺寸见表1。

表1器件尺寸汇总

器件名	尺寸	器件名	尺寸
				Q1	200nm×8um×4	C3	2.4pF
Q2	200nm×8um×4	C4	2.4pF
				Q3	200nm×10um×10	C5	4.1pF
Q4	200nm×10um×10	C6	4.1pF
				Q5	200nm×10um×8	C7	2.4pF
Q6	200nm×10um×8	C8	2.4pF
				Q7	200nm×10um×15	C9	1.2pF
Q8	200nm×10um×15	C10	1.2pF
				R1	8Kohm	C11	2pF
R2	8Kohm	C12	2pF
				R3	8Kohm	L1	5.5nH
R4	8Kohm	L2	5.5nH
				R5	8Kohm	L3	2.4nH
R6	8Kohm	L4	2.4nH
				C1	4.3pF	C2	4.3pF

在整个SiGe BiCMOS可变增益低噪声驱动放大器中，充分利用了SiGe BiCMOS的技术特点：用锗化硅双极型晶体管(Bipolar NPN)作为输入管代替了传统MOS管作为输入级，大大减小了1/f噪声，从而降低了整体电路的噪声系数。分别用三个BipolarNPN管作为差分耦合对，实现了电路的高的可变增益。又由于SiGe管的电流密度远远大于CMOS管，减小了器件尺寸，节省了芯片面积。

本发明的SiGe BiCMOS可变增益低噪声驱动放大器广泛适于FM、GMSK信号调制，可以应用于GSM850，GSM900，WCDMA等现代无线通信标准中。

Claims

1.一种可变增益低噪声驱动放大器，其特征在于该驱动放大器包括：差分信号输入端RFIN1及RFIN2、差分信号输出端RFOUT1及RFOUT2、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7、第八晶体管Q8、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12，地线端GND，具体连接方式：第一晶体管Q1的基极与第三电容C3和第一电阻R1连接，发射极与地线端GND连接，集电极与第三晶体管Q3的集电极、第五晶体管Q5的集电极和第七晶体管Q7的发射极连接；第二晶体管Q2的基极与第四电容C4和第二电阻R2连接，发射极与地线端GND连接，集电极与第四晶体管Q4的集电极、第六晶体管Q6的集电极和第八晶体管Q8的发射极连接；第三晶体管Q3的基极与第五电容C5、第三电阻R3和第九电容C9连接，发射极与地线端GND连接，集电极与第一晶体管Q1的集电极、第五晶体管Q5的集电极和第七晶体管Q7的发射极连接；第四晶体管Q4的基极与第六电容C6、第四电阻R4和第十电容C10连接，发射极与地线端GND连接，集电极与第二晶体管Q2的集电极、第六晶体管Q6的集电极和第八晶体管Q8的发射极连接；第五晶体管Q5的基极与第七电容C7和第五电阻R5连接，发射极与地线GND连接，集电极与第三晶体管Q3的集电极、第五晶体管Q5的集电极和第七晶体管Q7的发射极连接；第六晶体管Q6的基极与第八电容C8和第六电阻R6连接，发射极与地线GND连接，集电极与第二晶体管Q2的集电极、第四晶体管Q4的集电极和第八晶体管Q8的发射极连接；第七晶体管Q7的基极与电源端VDD连接，发射极与第一晶体管Q1、第三晶体管Q3和第五晶体管Q5的集电极连接，集电极与第三电感L3和第十一电容C11连接；第八晶体管Q8的基极与电源端VDD连接，发射极与第二晶体管Q2、第四晶体管Q4和第六晶体管Q6的集电极连接，集电极与第四电感L4和第十二电容C12连接；第一电容C1跨接在输入端RFIN1和地线端GND之间；第二电容C2跨接在输入端RFIN2和地线端GND之间；第一电感L1跨接在输入端RFIN1和第三电容C3、第五电容C5和第七电容C7之间；第二电感跨接在输入端RFIN2和第四电容C4、第六电容C6和第八电容C8之间；第九电容C9跨接在第三晶体管Q3的基极和发射极之间；第十电容C10跨接在第四晶体管Q10的基极和发射极之间；第三电感L3跨接在第七晶体管Q7和电源端VDD之间，第四电感L4跨接在第八晶体管Q8和电源端VDD之间；第十一电容C11跨接在第七晶体管Q7和输出端RFOUT1之间；第十二电容C12跨接在第八晶体管Q8和输出端RFOUT2之间；第一电阻R1跨接在第一晶体管Q1的基极和第三偏压BIAS3之间；第二电阻R2跨接在第二晶体管Q2基极和第三偏压BIAS3之间；第三电阻R3跨接在第三晶体管Q3基极和第一偏压BIAS1之间；第四电阻R4跨接在第四晶体管Q4基极和第一偏压BIAS1之间；第五电阻R5跨接在第五晶体管Q5基极和第二偏压BIAS2之间；第六电阻R6跨接在第六晶体管Q6基极和第二偏压BIAS2之间。

2.根据权利要求1所述的驱动放大器，其特征在于所述第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7、第八晶体管Q8为锗化硅双极型晶体管。