CN102332877B - 一种带有片上有源Balun的差分CMOS多模低噪声放大器 - Google Patents

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。它由匹配级、放大级、反馈级和负载级组成第一级放大器；由有源片上Balun构成第二级放大器。其中，匹配级使用键合线电感、寄生电容、栅极电感与电路输入阻抗组成匹配网络；放大级使用共源级NMOS管与PMOS管作为输入端，共栅级NMOS管作为电流跟随器；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；第三级放大器的有源Balun分别使用共源和源跟随器来实现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。该低噪声放大器可以应用于0.5～10.6GHz的多模接收机前端中。

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

本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种差分CMOS多模低噪声放大器。

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宽频带输入匹配好、增益高、功耗低、线性度及稳定性优良的差分CMOS低噪声放大器电路，以克服现有技术存在的不足。

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。

本发明提供的差分CMOS低噪声放大器电路，是一种稳定的带有Balun功能的CMOS宽带低噪声放大器，由匹配级1、放大级2、反馈级3和负载级4、单端补偿级5和Balun输出级6组成，如图1中所示，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，并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；

单端补偿级5，介于放大级和balun输出级之间，提供与单端放大电路输出信号等幅反相的信号，与同一节点接地，来消除单端电路对非理想寄生因素的敏感性；

Balun输出级6，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，同时不影响前级放大器的性能。

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C₁、及所述放大级等效输入电容C_in顺次相连。同时反馈级中NMOS 管M₄漏极通过电感L₂接到电源，以消除负载寄生电容对电路的影响。

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M₂与第一NMOS管M₁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，其中所述第一NMOS管M₁的源极直接接地。还包含:第二 NMOS管M₃，该第二NMOS管M₃和所述PMOS管M₂与第一NMOS管M₁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，所述第二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。

进一步地，如图6所示，所述反馈级包括：第三 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，通过负反馈结构满足宽带的匹配的带宽要求。

进一步地，如图6所示，所述单端补偿级包括：第五NMOS管M₆，连接于第五NMOS管M₆漏极和电源之间的负载电阻R_D2，连接于第二NMOS管M3漏极和第五NMOS管M6栅极之间的电感L3，连接于第五NMOS管M₆漏极和balun级之间的电感L₄。电感L₃和电感L₄负责谐振掉所在位置结点的寄生电容，提升带宽。 

进一步地，如图5所示，所述Balun输出级包括：第六NMOS管M₇和第三级负载电阻R_D3组成共源级放大器，其输出信号与前级放大器单端输出信号成180°反相；第七NMOS管M₈和第八NMOS管M₉组成源跟随器，其输出信号与前级放大器单端输出信号保持同相。实现了单端输入差分输出的功能。由于Balun输出级都是栅极输入，因此不会影响前级放大器的性能。

本发明的改进主要体现在：

第一、在反馈回路第三NMOS管M₄的漏极和电源之间增加电感L₂，可以谐振掉放大级输出结点处的寄生电容，提高负载在高频处的阻抗，提高增益，改善输入匹配； 

第二、如图6所示，在单端放大级和Balun级之间增加基于共源极放大器的单  端电路补偿级，利用共源极放大器漏极和源极通路上的小信号与栅极信号是反相的，因此，在接地点出可以形成一个虚地点，如图7所示，因此小信号无法流到片外，解决了单端电路对片外非理想因素的敏感，增加电路的稳定性；

第三，由于多模接收机前端覆盖的频率范围从0.5GHz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。

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。该低噪声放大器可以应用于0.5~10.6GHz的多模接收机前端中。适用于包括GSM、WCDMA、Bluetooth、WLAN、UWB等多模接收机系统中。

附图说明

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：本发明的有源Balun结构示意图。

图6：本发明具体实施例电路图。

图7：本发明具体实施例电路输入匹配S21、NF和IIP3性能。

图8：本发明具体实施例电路输入匹配S11和S22性能。

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为单端电路补偿级，6为Balun输出级。  

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图进一步描述本发明。

如图6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。

电路工作在1.2V电压，消耗电流10.8mA。电路性能：输入匹配S11≤-10dB，噪声系数NF为2.6~2.8dB，增益S21为14~17dB，覆盖频带0.5~10.6GHz，最好线性度为-4dBm，可见，电路具有良好的宽带性能。

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 (3)

1. 一种带有片上有源Balun的CMOS多模低噪声放大器，其特征在于，由下述六部分组成：

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；

单端电路补偿级，提供与单端电路等幅反相信号，抵消片外非理想因素对电路稳定性的影响；

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；

其中：

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、栅极电感L1及放大级等效输入电容顺次连接；

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反馈回路反馈电阻RF相连，其中所述第一NMOS管（M₁）源极接地，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；

所述反馈级包含：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，另一端通过电感L1与输入第一NMOS管（M₁）和PMOS管（M₂）的栅极相连，电感L2接于第三NMOS管（M₄）的漏极和电源之间；

所述负载级，只使用一个负载电阻RD1，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；

由匹配级、放大级、反馈级和负载级组成单端放大器；在单端放大器后，连接单端电路补偿级，组成该补偿级的电感L₃连接于第二NMOS管（M₃）漏极和第五NMOS管（M₆）栅极之间，第五NMOS管（M₆）漏极连接电感L4和负载电阻R_D2，负载电阻R_D2另一端接电源。

2. 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低噪声放大器，单端电路补偿级构成第二级低噪声放大器，由Balun输出级组成第三级低噪声放大器，将经过前述放大级的单端信号转换成差分信号。

3. 如权利要求2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，由第六NMOS管（M₇）和电阻R_D3组成共源级放大器，第七、第八NMOS管（M₈、M₉）组成源跟随器，实现单端输入差分输出。