CN110661493A - 一种基于CMOS工艺的77GHz低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CMOS工艺的77GHz低噪声放大器，包括依次连接的输入匹配单元、第一级放大电路单元、级间匹配单元、第二级放大电路单元和输出匹配单元；第一级放大电路单元连接负反馈单元；本发明采用两级放大器结构设计，第一级放大电路单元采用带有源极退化电感的共源极结构，以降低电路的噪声；第二级放大电路单元为共源共栅结构，能够有效提高电路的增益。
Description
技术领域
本发明属于汽车雷达低噪声放大器技术领域，尤其涉及一种基于CMOS工艺的77GHz低噪声放大器。
背景技术
随着经济的发展人们生活水平的提高，汽车从原来的奢侈品变为现在出行的必需品，其数量越来越多，道路变的拥挤不堪，交通事故发生率也随之提高。交通事故的频发绝大部分是由于驾驶员无法获取全面的驾驶环境信息引起的，特别是在雨天，雾天，道路交叉口，通过肉眼很难获取准确的信息。如何为驾驶员提供全面的驾驶环境信息，是预防交通事故的关键。近年来，为了提高驾驶员对周围环境的感知能力，有效减少交通事故的发生率，多数汽车都配备了汽车高级辅助驾驶系统(ADAS系统)。ADAS系统利用车载雷达收发信号，获得汽车周围的环境数据，经过物体识别，数据处理反馈给驾驶者，从而能够让驾驶者在最短的时间察觉可能发生的危险。实践证明ADAS系统给驾驶员赢得了更多处理突发情况的时间，有效的降低了事故的伤亡率。
ADAS系统的核心部分为车载雷达，车载雷达的探测距离，精度，可靠性，成本是业界关注的热点。目前车载雷达主要包括超声波雷达、激光雷达和毫米波雷达，不同雷达的工作方式和性能特点也有所不同。超声波雷达探测方式成本低，探测距离通常只有几米且性能会受到天气的影响，一般用来车位停车。激光雷达分辨率和精度很高，不仅能够对物体进行识别，还能获取物体的运动状态，激光雷达抗干扰能力强，造价高但是其也容易受天气的影响，一般无人驾驶汽车中会配备这种雷达。毫米波雷达是利用发射毫米波波段的信号来获取信息，信号频率很高一般为几十吉赫兹，其探测距离远，穿透能力强，分辨率高，且环境耐受性好，其成本也可接受，是目前ADAS系统主流设备。目前，国内外主流汽车毫米波雷达频段为24GHz(用于短中距离雷达，15-30m)和77GHz(用于长距离雷达，100-200m)。但是，77GHz雷达的检测距离远，体积小，更易于安装，功耗低，对于行人和自行车以及物体监测的效果优于24GHz雷达，这就意味着在更多的应用场景上它可以提供更安全、更优良的性能。
但是，在全球范围内77GHz毫米波雷达芯片并没有稳定的供应体系，主要技术被英飞凌、飞思卡尔、意法半导体等公司垄断。因此拥有我国自己的高性能77GHz毫米波雷达芯片将抢占车载雷达市场。而低噪声放大器(LNA)是接收机中的第一个单元电路，是重要的电路之一，它的噪声系数和功率增益决定了接收机的灵敏度，其性能的好坏决定了接收机性能。可见，对LNA的研究意义重大。
发明内容
本发明根据现有技术中存在的问题，提出了一种基于CMOS工艺的77GHz低噪声放大器，提供一种成本更低、全集成、具有超低噪声和较高增益的低噪声放大器。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于CMOS工艺的77GHz低噪声放大器，包括依次连接的输入匹配单元、第一级放大电路单元、级间匹配单元、第二级放大电路单元和输出匹配单元；所述第一级放大电路单元连接负反馈单元；
所述输入匹配单元由电容C1和电感L1并联构成L型匹配网络；
所述第一级放大电路单元包括NMOS管M1，NMOS管M1的栅极连接并联的电容C1和电感L1，NMOS管M1的漏极连接级间匹配单元，NMOS管M1的源极连接负反馈单元；
所述负反馈单元是由电感L2构成的负阻型反馈网络；
所述级间匹配单元是由电感L3和电容C2并联，电容C2再并联电感L5，电容C2和电感L3、L5构成的π型匹配网络；
所述第二级放大电路单元是由NMOS管M2和NMOS管M3构成共源共栅结构；
所述输出匹配单元是由电容C3和电感L4并联构成的L型匹配网络。
本发明的有益效果：
1、本发明采用两级放大器结构设计，第一级放大电路单元采用带有源极退化电感的共源极结构，以降低电路的噪声；第二级放大电路单元为共源共栅结构，能够有效提高电路的增益。
2、第一级放大电路单元与第二级放大电路单元之间采用了交流耦合方式，即通过电容 C2相连使得前级的输出信号几乎没有衰减地传递到后级。前级负载电感L3与后级输入电容C2组成的LC调谐网络,实现电流的放大。
3、本发明所设计的低噪声放大器(LNA)，实现了在77GHz时的噪声系数2.647dB，且保持增益为20.644dB；提高了LNA电路性能，从而使接收机有更高的灵敏度和更好的性能。
附图说明
图1是发明低噪声放大器的电路框图；
图2是本设计的低噪声放大器电路原理图；
图3是低噪声放大器的输入匹配参数S11的仿真结果；
图4是低噪声放大器的输出匹配参数S22的仿真结果；
图5是低噪声放大器的噪声系数仿真结果；
图6是低噪声放大器的增益仿真结果；
图7给出了低噪声放大器版图布局设计。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1，本发明所设计的一种基于CMOS工艺的77GHz低噪声放大器(LNA)包括依次连接的输入匹配单元、第一级放大电路单元、级间匹配单元、第二级放大电路单元和输出匹配单元，且第一级放大电路单元连接负反馈单元；
如图2，输入匹配单元是由电容C1和电感L1并联构成L型匹配网络；第一级放大电路单元包括NMOS管M1，NMOS管M1的栅极连接电容C1和电感L1并联输出，NMOS管M1的漏极连接级间匹配单元，NMOS管M1的源极连接负反馈单元；负反馈单元是由电感L2构成的负阻型反馈网络；级间匹配单元是由电感L3和电容C2并联合，电容C2再并联电感L5，电容C2和电感L3、L5构成的π型匹配网络；第二级放大电路单元是由NMOS管M2和NMOS 管M3构成共源共栅结构，具体地，NMOS管M2的栅极连接级间匹配单元的输出，NMOS管 M2的源极接地，NMOS管M2的漏极连接NMOS管M3的源极，NMOS管M3的栅极接地，NMOS 管M3的漏极连接输出匹配单元，输出匹配单元是由电容C3和电感L4并联构成的L型匹配网络。
在图2的电路中，输入匹配单元的电容C1和级间匹配单元的电容C2起到隔直的作用，使得MOS管的静态电流与输入、输出的77GHz毫米波信号分隔开。级间匹配单元的电感L3与输出匹配单元的电感L4也作为第一级放大器与第二级放大器的负载电感；同时，电感 L3与电容C2组成的LC调谐网络,实现了电流的放大；电感L1与电感L5具有通直流而阻止交流的作用。
在实际应用中，将本发明所设计的低噪声放大器(LNA)置于整个接收机的最前端，极大地决定了接收机的噪声性能。本发明的LNA的第一级放大电路单元决定了LNA的噪声性能，因而，LNA的第一级放大电路单元对接收机的噪声影响很大，其对噪声的贡献一般超过了后续各级之和。本发明的LNA第一级放大电路单元采用的是带有源极退化电感的放大结构，它能够几乎同时实现阻抗匹配和噪声匹配。第二级放大电路单元的共源共栅结构只是在共源管NMOS管M2结构上加入了共栅管NMOS管M3，其噪声性能与漏极端接入阻抗无关，因此为了提高LNA的增益，级联了一个共源共栅结构的放大电路。
如图3与图4可见，LNA的输入、输出匹配参数S11和S22在77GHz时小于-10dB，且LNA的工作带宽大于3GHz，满足发明设计的要求。
如图5可见，LNA电路在77GHz时有较好的噪声系数为2.647dB，现有技术中噪声系数处于5dB水平，说明本设计能够很好地达到设计要求。
如图6，本发明所设计的LNA在77GHz时有较大的增益为20.644dB，满足设计的要求。
如图7，利用Cadence软件进行LNA的版图设计，芯片版图设计采用的是TSMC40nmCMOS 工艺，该工艺包含10层金属。金属地从M1铺到M7，OD-PO金属填充完成后，芯片版图面积为310um*370um。
本发明设计的77GHz低噪声放大器的1V电源电压下工作，通过仿真结果可知，此结构在保证电路足够高增益的同时，很大程度的降低了低噪声放大器的噪声系数。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于CMOS工艺的77GHz低噪声放大器，其特征在于，包括依次连接的输入匹配单元、第一级放大电路单元、级间匹配单元、第二级放大电路单元和输出匹配单元；所述第一级放大电路单元连接负反馈单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于CMOS工艺的77GHz低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配单元由电容C1和电感L1并联构成L型匹配网络。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于CMOS工艺的77GHz低噪声放大器，其特征在于，所述第一级放大电路单元包括NMOS管M1，NMOS管M1的栅极连接并联的电容C1和电感L1，NMOS管M1的漏极连接级间匹配单元，NMOS管M1的源极连接负反馈单元。
4.根据权利要求3所述的一种基于CMOS工艺的77GHz低噪声放大器，其特征在于，所述负反馈单元是由电感L2构成的负阻型反馈网络。
5.根据权利要求3所述的一种基于CMOS工艺的77GHz低噪声放大器，其特征在于，所述级间匹配单元是由电感L3和电容C2并联，电容C2再并联电感L5，电容C2和电感L3、L5构成的π型匹配网络。
6.根据权利要求3所述的一种基于CMOS工艺的77GHz低噪声放大器，其特征在于，所述第二级放大电路单元是由NMOS管M2和NMOS管M3构成共源共栅结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于CMOS工艺的77GHz低噪声放大器，其特征在于，所述输出匹配单元是由电容C3和电感L4并联构成的L型匹配网络。
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