CN102130656B - 新型全集成双频段低噪声放大器集成电路结构 - Google Patents
新型全集成双频段低噪声放大器集成电路结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种可同时应用于高级国际移动通信(AdvancedInternational Mobile Communications,IMT-Advanced)和超宽带(Ultra-WideBand,UWB)通信的多频段、多标准通信系统的一种双频段低噪声放大器集成电路结构,涉及集成电路领域,和已经公开发表的其它结构相比,本发明输入端在两个频段内分别采用窄带和宽带输入匹配网络,实现了不同带宽的频段(3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz)内50Ω阻抗匹配,两个并联谐振网络作为负载,利用外部控制信号控制谐振频率,满足双频段的不同增益要求,并扩展了电路的带宽,提高了电路在整个工作带宽的增益平坦度,实现了数字信号控制频段切换,相比现有技术,本发明的噪声系数、增益、输入输出匹配的技术指标都有大的提高,本发明采用SMIC公司0.13微米的混合信号CMOS工艺进行了设计验证,结果证明了本发明结构的可行性。
Description
技术领域
本发明涉及一种全集成双频段低噪声放大器集成电路芯片,特别是可同时应用于高级国际移动通信(Advanced International Mobile Communications,IMT-Advanced)和超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)通信的多频段、多标准通信系统的一种双频段低噪声放大器集成电路芯片。
背景技术
目前,移动通信发展的一个重要趋势是单个通信终端可以兼容多种通信标准(Agnelli F.,Albasini G.,Bietti I.,Gnudi A.,et al,“Wirelessmulti-standard terminals system analysis and design of a reconfigurableRF front-end”,Circuits and Systems Magazine,IEEE Volume 6,Issue 1,First Quarter 2006 Page(s):38-59,参考文献1),比如目前广泛应用的第三代(3G)蜂窝移动通信系统与蓝牙(Bluetooth)或无线局域网(Wireless LocalArea Networks,WLAN)等无线通信系统的集成(Changjae Kim,Young-Kyun Jang,Hyung-Joun Yoo,“Design of CMOS front-end for multi-standard receiver(WCDMA and 802.11a),Computational Electromagnetics and ItsApplications”,2004.Proceedings.ICCEA 2004.2004 3rd InternationalConference on 1-4 Nov.2004 Page(s):340-343,参考文献2)就是典型的案例。
超宽带(Ultra-Wide Band)自2002年2月14日FCC(美国联邦通信委员会)批准民用以来,已经得到了快速地发展,具有广阔的市场应用前景。IMT-Advanced系统是继第三代移动通信系统IMT-2000之后的新一代移动通信系统。在这两种通信系统中,接收机都使用了低噪声放大器(LNA)模块。实现一款高性能的双频段(Dual-band)兼容的接收芯片,对于这两种通信模式集成的系统,将可以显著降低多芯片组装成本,从而拓宽产品的应用范围。
双频段低噪声放大器主要有两种结构(Naveed Ahsan,Aziz Ouachal,JerzyDabrowski,et al.“Dual-band tunable LNA for flexible RF Front End”,Proceedings of International Conference on Applied Sciences & Technology,Islamabad,Pakistan,2007 Page(s):19-22,参考文献3):第一种结构是设计两个单独的LNA并联;另外一种结构是通过低噪声放大器内部使能端来控制其分别工作在两个频段。
下面分析这两种结构的特点。
(1)两个单独的LNA并联结构:两个单独的LNA分别工作在两个不同的频段,然后通过开关来选择,这种结构的优点是两个频段的信号不会相互影响,而且单独的LNA的性能可以设计的比较好,然而功耗和芯片面积较大。
(2)使用内部使能端控制的低噪声放大器:和第一种结构相比,可以节省10%~50%的面积,所以成本下降。使用内部使能端控制的低噪声放大器又可以分为两种形式:一种形式是单输入多输出低噪声放大器结构,即采用一个共同的输入端,但针对不同的工作频段,有多个输出端。另外一种更广泛应用的是多输入单输出低噪声放大器结构,即有一个共同的输出端,但针对不同的工作频段,有多个输入端。相当于里面有部分电路是公用的,有某些不同的子电路是用于不同的工作频段的。
在现有的Dual-band LNA文献中,主要采用使用内部使能端控制的低噪声放大器结构。其拓扑结构主要有两种形式。
一种是采用开关切换谐振网络以调节输出匹配,从而使输出匹配网络谐振在两个不同的频段(殷吉辉,杨华中,“一种双频段CMOS低噪声放大器”,微电子学,Vol.37,No.3,Jun.2007,参考文献4)(Sang-Sun Yoo and Hyung-JounYoo,“A Compact Dual-band LNA Using Self-matched Capacitor”,IEEEInternational Workshop on Radio-Frequency Integration Technology,Dec.9-11,2007,参考文献5)。
另一种是采用开关控制输入匹配网络,使其在两个频段内切换(MohamedEl-Nozahi,Student Member,IEEE,Edgar Sánchez-Sinencio,Fellow,IEEE,and Kamran Entesari,Member,IEEE,“A CMOS Low-Noise Amplifier WithReconfigurable Input Matching Network”IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVETHEORY AND TECHNIQUES,VOL.57,NO.5,MAY 2009,参考文献6)(VojkanVidojkovic,Johan van der Tang,Eric Hans sen,Arjan Leeuwenburgh andArthur van Roermund,“FULLY-INTEGRATED DECT/BLUETOOTH MULTI-BAND LNAIN 0.18μm CMOS”,IEEE,参考文献7)。
开关切换输出谐振网络的双频段低噪声放大器结构(参考文献4,5),其优点是既可以通过匹配输人电路来获得最优噪声系数,还可防止两个频段信号之间的相互干扰。选频通过一个使用开关振荡器的双频LNA拓扑结构实现。缺点是晶体管开关会引入寄生电阻和电容,使电感的品质因子Q值下降,对受调节回路造成影响,一般应用于相对较窄的带宽。
开关控制输入匹配网络的双频段低噪声放大器(参考文献6,7),参考文献6电路优点是实现了连续调节输入匹配网络,能达到相对较宽的带宽。缺点是输入匹配网络复杂,在0.13μm CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)工艺下噪声系数是3.2 3.7dB,噪声系数大。参考文献7电路优点是噪声系数较低(低于2.5dB),增益高(大于等于15dB),容易实现。缺点是只能窄带应用,不能用于宽带传输系统。
所以,如何针对IMT-A和UWB的多模式系统,设计一种双频段低噪声放大器,使其能够应用于较宽频带的通信系统,并且使噪声系数、增益、输入输出匹配的技术指标都有一定程度的提高,成为一个重要的开发课题。
发明内容
本发明专利中,我们提出一种新的“双频段低噪声放大器”结构,实现在3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz两个带宽不同的频段内切换,且在4.2-4.8GHz较宽的频带内实现了输入输出匹配。根据SMIC公司提供的0.13微米的混合信号CMOS工艺进行的设计显示,本发明的双频带低噪声放大器集成电路芯片与其它设计结构(参考文献4、5、6、7)相比,本设计的噪声系数、增益、输入输出匹配的技术指标都有较大的改善。
我们采用SMIC公司0.13微米的混合信号CMOS工艺,设计了双频段低噪声放大器集成电路芯片。和已经公开发表的结果相比,本设计在两个频段内分别采用窄带和宽带匹配,双频带内都达到了较小的噪声系数和较高的增益,并在两个频段内都实现了输入输出50Ω阻抗匹配。
在电路设计中同时采用两个谐振网络并联的形式来提高增益和拓展带宽。
以下解释本发明的技术原理。
为了能从背景噪声中检测出微弱的射频信号,对Dual-band LNA提出了很高的要求,如采用宽带50Ω输入匹配来减小回波损耗,需要足够的增益来抑制下一级噪声,低的噪声系数去提高接收机的灵敏度,低功耗等。
另外,为了实现高集成度,低成本,低功耗等要求,我们采用CMOS工艺,但是由于CMOS工艺较差的RF特性,如较高的寄生电容,较低的跨导,较低的电源电压等,这也为设计带来了其他方面的挑战。
本发明的电路拓扑图如图1所示。
电感L2,L3和电容C2,C3构成带通滤波器,用于展宽频带。该带通滤波器中无源器件的选择决定了带宽和波动系数。电感L1和电容C1与NMOS晶体管M1的输入阻抗共同构成串联谐振,在谐振频率附近匹配50Ω输入阻抗,电感Ls用于提供输入阻抗的实部。
NMOS(N型-MOS)晶体管M1,M2是放大管,NMOS晶体管M3分别与M1,M2构成共源共栅结构。共源共栅结构能够:提高放大器的输出阻抗;给放大管一个低阻抗负载,使得放大管的增益比较低,降低了放大管的Miller效应对放大器性能的影响;提高了反向隔离度,减弱了本振信号的泄露,同时使放大器成为一个单向化放大器,简化设计并避免了稳定性问题。
电容Cext1,Cext2跨接两个放大管的栅源端,用于噪声匹配,对降低双频段低噪声放大器的噪声系数有很大的贡献。
电阻R1,R2是分压电阻,提供偏置电压。
NMOS晶体管M6,M7是开关管,栅极接“1/0”数字信号,用于数字控制双频段低噪声放大器的工作频段。
电感LL1,LL2与电容CL1,CL2构成两个并联谐振网络。电容CL1,CL2是两个可变电容,用外接信号控制其电容值,从而改变两个谐振网络的谐振频率。相对于一个并联谐振网路而言,两个并联谐振网络有助于拓展带宽,从而在相对较宽的频段内满足增益要求。
电阻R3,R4阻值很大,作用是在开关管NMOS晶体管M6,M7处于导通状态时,减小支路电流以减小对偏置电路的影响,并减小对噪声系数的影响。
同时为了测试的目的,输出端的MOS晶体管M4和M5构成源级跟随器,用来驱动50Ω的负载终端。
作为对比,两种目前已经发表的Dual-band LNA电路拓扑结构,即共源共栅源级负反馈结构和输入匹配连续调节结构,分别由参考文献4,6给出。同这两种结构相比,本结构的新颖性主要是针对不同的频带分别做了窄带和宽带输入匹配,并采用连个并联LC谐振网络串联的形式增加带宽,同时工作频段可通过外部信号控制。
案例分析:为了证明本发明电路的可行性,我们采用SMIC公司0.13μmCMOS工艺,利用仿真工具Cadence-SpectreRF进行仿真。
作为一种特例,主要电路元件参数如下:
WM1=WM2=160μm
WM3=120μm
LL1=LL2:coil turns:2.5 width:8μm inner radius:45μmspacing:1.5μm
所有MOS器件的长度为0.13μm。电路工作电压为1.2V,主体电路电流消耗12.5mA,跟随器电流消耗2.9mA,总功耗为15.4mW。
电路的仿真结果如图2,图3,图4,图5,图6所示。
图2是3.4-3.6GHz频段内得到的NF的仿真结果。
图3是4.2-4.8GHz频段内得到的NF的仿真结果。
图4是输入回波损耗S11的仿真结果。
图5是增益S21的仿真结果。
图6是输出回波损耗S22的仿真结果。电路工作频段3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz,在3.4-3.6GHz频段内,输入匹配S11小于-12.71dB和,输出匹配S22小于-13.62dB,增益S21最小为19.28dB,最大为19.51dB,增益波动为0.23dB,噪声系数NF为2.441-2.578dB。在4.2-4.8GHz频段内,输入匹配S11小于-21.7dB和,输出匹配S22小于-12.61dB,增益S21最大为19.7dB,最小为17.93dB,增益波动为1.77dB,噪声系数NF为3.129-3.276dB。
图7是双频段低噪声放大器集成电路版图。
同其它已经发表的结果相比,本发明的性能列表如下。
表1与已发表Dual-band LNA的性能比较
通过和参考文献比较,我们发现本发明的全集成双频段低噪声放大器结构的性能新颖性如下:与文献4、5、7相比,本设计的应用频段是分别是3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz,设计频带较宽,与窄带应用相比增加了设计难度,并实现了较低的噪声系数,较高的增益,较好的输入输出匹配;与文献6相比,噪声系数明显降低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1是本设计的电路拓扑图。
图2是采用SMIC 0.13μmCMOS工艺。利用仿真工具Cadence-SpectreRF,在3.4-3.6GHz频段内得到的NF的仿真结果。
图3是采用SMIC 0.13μmCMOS工艺。利用仿真工具Cadence-SpectreRF,在4.2-4.8GHz频段内得到的NF的仿真结果。
图4是采用SMIC 0.13μmCMOS工艺。利用仿真工具Cadence-SpectreRF,在3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz频段内得到的S11的仿真结果。
图5是采用SMIC 0.13μmCMOS工艺。利用仿真工具Cadence-SpectreRF,在3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz频段内得到的S21的仿真结果。
图6是采用SMIC 0.13μmCMOS工艺。利用仿真工具Cadence-SpectreRF,在3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz频段内得到的S22的仿真结果。
图7是本发明的电路版图。
图1中
11,21 电压输入端口
12 电感L1
13 电容C1
14 电容Cext1
22 电感L3
23 电容C3
24 电容Cext2
25 电感L2
30 电感LS
31 NMOS晶体管M1
32 NMOS晶体管M2
33 NMOS晶体管M3
35 电感LL1
36-电容CL1
38 电感LL2
39-电容CL2
41 数字信号控制端
42 NMOS晶体管M6
43 电阻R3
51 数字信号控制端
52 NMOS晶体管M7
53 电阻R4
61-电阻R1
61-电阻R2
70 电源VDD
71 NMOS晶体管M4
71 NMOS晶体管M5
具体实施方式
在图1中,电路拓扑图可分为以下五部分:
第一部分包括电感LS,L1,L2,L3和电容C1,C2,C3,Cext1,Cext2。电感L2,L3和电容C2,C3构成带通滤波器,用于展宽频带;电感L1和电容C1及电感LS,用于输入阻抗匹配;电容Cext1,Cext2跨接两个放大晶体管的栅源端,用于最佳噪声匹配。
第二部分包括NMOS晶体管M1,M2,M3,电感LL1,LL2以及电容CL1,CL2。NMOS晶体管M1,M2是放大管,NMOS晶体管M3分别与M1,M2构成共源共栅结构;电感LL1,LL2与电容CL1,CL2构成两个并联谐振网络,电容CL1,CL2是两个可变电容,用外接信号控制其电容值。
第三部分包括电阻R1,R2,为偏置电路部分。
第四部分包括NMOS晶体管M6,M7和电阻R3,R4。NMOS晶体管M6,M7是开关管,栅极接1/0数字信号,用于数字控制双频段低噪声放大器的工作频段;电阻R3,R4的作用是在开关管NMOS晶体管M6,M7处于导通状态时,减小支路电流以减小对偏置电路的影响,并可用于减小对噪声系数的影响。
第五部分包括NMOS晶体管M4,M5。NMOS晶体管M4,M5用来构成源级跟随器,驱动50Ω的负载终端。
Claims (3)
1.一种实现可同时应用于高级国际移动通信(Advanced International Mobile Communications,IMT-Advaneed)和超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)多频段、多标准通信系统中的双频段低噪声放大器集成电路的方法,采用窄带和宽带的双输入单输出的双频段低噪声放大器结构,数字信号控制两个频段的切换,该双频段低噪声放大器集成电路包括以下五个(A,B,C,D,E)主要部分:
A部分:包括NMOS(N型-MOS)晶体管M1,M2,M3,电感LL1,LL2和电容CL1,CL2,构成放大器的主体,其中NMOS管M1、M2、M3组成共源共栅结构,电感LL1和可变电容CL1并联,电感LL2和可变电容CL2并联,这两个并联谐振网络再串联接在M3的漏极;
B部分:包括电感LS,L1,L2,L3和电容C1,C2,C3,Cext1,Cext2,构成输入匹配网络,其中Ls位于M1和M2的共源端,第一路信号输入端接L1和C1的串联并与M1的栅极相连,第二路信号输入端接L2和C2的并联接地,同时接L3和C3的串联接M2的栅极,Cext1接在M1的栅源之间,Cext2接在M2的栅源之间;
C部分:包括两个电阻R1和R2,构成偏置电路,R2和R1串联接在电源电压与地之间,R2的分压分别接在M6的漏极、M7的漏极、M5的栅极;
D部分:包括两个NMOS晶体管,M6,M7和两个电阻R3,R4,为数字控制电路部分,R3的一端接M6的源极,一端接M1的栅极,R4的一端接M7的源极,一端接M2的栅极;
E部分:两个NMOS晶体管M4和M5构成源极跟随器,为输出部分,M4的漏极接电源电压,栅极接M3的漏极,源极接输出端和M5的漏极,M3的源极接地,栅极接M6和M7的漏极;
其特征在于电感LL1,LL2与用外接信号控制的两个可变电容CL1,CL2构成两个并联谐振网络,用于扩展电路的带宽,提高电路在整个工作频段的增益平坦度。
2.按照权利要求项1所述实现可同时应用于高级国际移动通信(Advanced International MobileCommunications,IMT-Advanced)和超宽带(ultra-wide band,UWB)多频段、多标准通信系统中的双频段低噪声放大器集成电路的方法,输入端在两个频段内分别采用窄带和宽带匹配网络,实现3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz频段内的50Ω阻抗匹配。
3.按照权利要求项1所述实现可同时应用于高级国际移动通信(Advanced International MobileCommunications,IMT-Advanced)和超宽带(ultra-wide band,UWB)多频段、多标准通信系统中的双频段低噪声放大器集成电路的方法,数字控制电路部分实现数字信号控制频段切换,降低开关切换对噪声系数的影响。
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Granted publication date: 20150408 Termination date: 20170112 |
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