CN111371412A - 一种工作于66～83GHz的CMOS毫米波宽带低噪声放大器 - Google Patents

一种工作于66～83GHz的CMOS毫米波宽带低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工作于66~83 GHz的CMOS毫米波宽带低噪声放大器，可应用于汽车雷达。采用变压器进行级间匹配同时调节谐振点达到宽带效果；双耦合等效跨导提高技术，提高增益的同时实现良好的宽带输入匹配。本发明的低噪声放大器，其小信号增益最大值19.89dB，3dB带宽为17.55GHz，噪声系数为4.19dB，输入1dB压缩点为‑15.76dB。

Description

一种工作于66～83GHz的CMOS毫米波宽带低噪声放大器
技术领域
本发明属于毫米波集成电路设计的技术领域，涉及一种工作于66～83GHz的CMOS毫米波宽带低噪声放大器，可用于76～81GHz汽车雷达。
背景技术
生活的提高，无人驾驶成为研究的热点话题，在降低事故发生率方面，汽车雷达作为核心技术占据举足轻重的作用，目前所用的雷达技术主要包括：红外雷达、激光雷达、超声波雷达和毫米波雷达等。比较了各种雷达技术的优劣情况，其中激光和红外雷达较易受天气环境影响，且成本较高；视觉成像雷达技术在能见度较差的环境下难以对图像信息进行有效提取；超声波雷达技术探测距离太短(几米到几十米)；而毫米波雷达相比于其它雷达技术具有许多无可取代的优势而被广泛采用，近年来30-300GHz波段已成为研究的热点话题，毫米波相比于传统的低频波段带宽更大，因此可以在此频段传递大量数据。
早期在毫米波拓扑设计中主要采用的是GaAs等工艺，但是其制造成本较大，不利于大规模制作，而不能被广泛采用。随着CMOS工艺的发展fT和fmax不断提高，因易制作、集成度高等优势越来越多的毫米波电路开始应用CMOS工艺。
低噪声放大器(LNA，Low Noise Amplifier)是射频集成电路中的重要组成部分之一。它位于接收芯片的第一级，直接与天线信号相连，所以LNA的噪声特性将大大影响整个系统的噪声性能，由于接收端所接收的信号通常极其微弱(<-10dBm)，因此设计LNA需要尽可能地压制噪声以提高接收机的灵敏度，接收机灵敏度越高(数值越低)，其接收微弱信号的能力就越强。同时低噪声放大器需提供足够的带宽来提高汽车雷达探距的精度。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于55nm CMOS工艺技术，一种工作于66～83GHz的CMOS毫米波宽带低噪声放大器。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种工作于66～83GHz的CMOS毫米波宽带低噪声放大器，特点是采用变压器进行级间匹配同时调节谐振点达到宽带效果；双耦合等效跨导提高技术，不增加功耗的同时提高电路的增益；该毫米波宽带低噪声放大器包括输入变压器TF1、第一级共源放大电路CS1、第一级间变压器TF2、第二级共源放大电路CS2、第二级间变压器TF3、第三极共源放大电路CS3和输出变压器TF4，所述输入变压器TF1包括初级线圈Bp、第一次级线圈Bg和第二次级线圈Bs；第一级共源放大电路CS1包括第一晶体管M1、和第二晶体管M2；第一级间变压器TF2包括初级线圈和次级线圈；第二级共源放大电路CS2包括第三晶体管M3、第四晶体管M4、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1及第二电容C2；第二级间变压器TF3包括初级线圈和次级线圈；第三级共源放大电路CS3包括第五晶体管M5、第六晶体管M6、第三电阻R3、第四电阻R4、第三电容C3及第四电容C4；输出变压器TF4包括初级线圈和次级线圈，其具体连接方式为：
射频输入信号RFin与输入变压器TF1初级线圈Bp一端相连，输入变压器TF1初级线圈Bp的另一端接地；输入变压器TF1第一次级线圈Bg的几何中心位置与第一偏置电压Vb1相连，输入变压器TF1第一次级线圈Bg的一端与第一晶体管M1的栅极相连，输入变压器TF1第一次级线圈Bg的另一端与第二晶体管M2的栅极相连，输入变压器TF1第二次级线圈Bs的几何中心位置接地，输入变压器TF1第二次级线圈Bs的一端与第一晶体管M1的源极相连，输入变压器TF1第二次级线圈Bs的另一端与第二晶体管M2的源极相连；
第一晶体管M1的漏极与第一级间变压器TF2初级线圈的一端相连，第一级间变压器TF2初级线圈的另一端与第二晶体管M2的漏极相连；第一级间变压器TF2初级线圈的几何中心位置与电源电压AVDD相连；第一级间变压器TF2次级线圈一端与第三晶体管M3的栅极相连，第一级间变压器TF2次级线圈另一端与第四晶体管M4的栅极相连；第三晶体管M3的栅极与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端与第四晶体管M4的漏极相连；第四晶体管M4的栅极与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端与第三晶体管M3的漏极相连；第三晶体管M3栅极与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端与第二级直流偏置Vb2相连，第四晶体管M4栅极与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与第二级直流偏置Vb2相连；
第三晶体管M3的漏极与第二级间变压器TF3初级线圈的一端相连，第二级间变压器TF3初级线圈的另一端与第四晶体管M4的漏极相连；第二级间变压器TF3初级线圈的几何中心位置与电源电压AVDD相连；第二级间变压器TF3次级线圈一端与第五晶体管M5的栅极相连，第二级间变压器TF3次级线圈另一端与第六晶体管M6的栅极相连；第五晶体管M5的栅极与第三电容C3的一端相连，第三电容C3的另一端与第六晶体管M6的漏极相连；第五晶体管M5的漏极与第四电容C4的一端相连，第四电容C4的另一端与第六晶体管M6的栅极相连；第五晶体管M5栅极与第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端与第三级直流偏置Vb3相连，第六晶体管M6栅极与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端与第三级直流偏置Vb3相连；
第五晶体管M5漏极与输出变压器TF4的初级线圈一端相连，输出变压器TF4的初级线圈的另一端与第六晶体管M6漏极相连，输出变压器TF4的初级线圈几何中心位置与电源电压AVDD相连，输出变压器TF4次级线圈的一端与射频输出信号RFout相连，输出变压器TF4次级线圈的另一端接地。
本发明的优点在于：
1.输入变压器TF1的双耦合等效跨导提高技术，相比源级退化电感的匹配技术，在不增加功耗的前提下提高电路增益。
通过交叉连接到栅端和源端的次级线圈，栅端和源端电压反相，同传统源级退化电感技术相比，双耦合等效跨导提高技术可以在不引入额外功耗的条件下增大栅源电压摆幅，提高等效跨导。
2.采用变压器进行级间匹配同时调节谐振点达到宽带效果。
通过改变变压器主次级线圈内径之间的不同构成水平耦合，拉大两谐振点的距离，提供π型耦合，增大单级电路的带宽；控制变压器主次级线圈的内径以及采取垂直耦合的方式，调整设计各单级电路的谐振点，从而达到整个电路宽带特性，设计方便灵活。
附图说明
图1为本发明电路图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行详细描述。
实施例
参阅图1，通过对MOSFET仿真结果的比较总结，得出了MOSFET的最佳静态工作点，TT工艺角晶体管偏置电压为0.7V的条件下ft和fmax达到最大值，为达到相同性能的条件下最大程度减小功耗，选择每级电路的偏置为0.7V。构建三级共源电路，为减少共模噪声，每级电路选择差分结构，取共源管栅极偏置电压Vb1＝Vb2＝Vb3＝0.7V，电源电压AVDD＝1V，根据最初增益的目标选择每级晶体管的尺寸，且为保证良好的对称性，第一晶体管M1的尺寸和第二晶体管M2的尺寸一样；第三晶体管M3的尺寸和第四晶体管M4的尺寸一样；第五晶体管M5的尺寸和第六晶体管M6的尺寸一样；第七晶体管M7的尺寸和第八晶体管M8的尺寸一样，第二级和第三级电路的偏置电阻均设为5kΩ。
借助史密斯圆图进行输入变压器和输出变压器的具体圈径设计，达到较好的输入输出匹配。输入变压器TF1由顶层铝金属层(TNA，厚度为1.17μm)，顶层铜金属层(LDA，厚度为3.3μm)，以及次顶层铜金属层(LCA，厚度为0.9μm)三层金属层构成，为确保输入变压器TF1的第一次级线圈和第二次级线圈有比较好的耦合，初级线圈选用中间金属层LDA，同时考虑到源端直流电流远大于栅端直流电流以及LCA金属层具有更好的直流带流耐受性，第一次级线圈选择LCA金属层，线圈宽度为5μm，通过调整初级线圈和第一次级线圈内径为45μm,第二次级线圈内径Bg为35μm，从而调整感值和阻值进行输入阻抗与天线50Ω匹配和噪声匹配，在功率传输和电路噪声之间进行折中选择。第一级间变压器TF2由顶层铜金属层以及次顶层铜金属层构成，为了得到最优Q值和较小线圈损耗，线圈宽度为5μm，通过调整初级线圈内径为60μm，次级线圈内径为50μm，水平耦合增加带宽，并调整单级谐振点为68GHz。第二级间变压器TF3由顶层铜金属层以及次顶层铜金属层构成，线圈宽度为5μm，通过调整初次级线圈内径为35μm从而调整单级谐振点为80GHz。输出变压器TF4由顶层铜金属层以及次顶层铜金属层构成，线圈宽度为5μm，通过调整主次级线圈内径为55μm从而调整感值和阻值进行输出匹配，达到更好的功率传输，同时由于第三级电路带宽覆盖前一二级电路，为防止出现多峰现象，将第三级谐振点调整至中心频率78GHz。通过AC仿真调整各级变压器的尺寸验证各级电路的目标谐振点，完成带宽电路设计。中和电容的容值根据电路的增益和稳定因子Kf的仿真来确定。本实施例所有器件尺寸见表1。
表1
Figure BDA0002412793430000041
注：#初级线圈Bp内径*第一次级线圈Bg内径+第二次级线圈Bs内径。

Claims (1)

1.一种工作于66~83 GHz的CMOS毫米波宽带低噪声放大器，其特征在于，该毫米波宽带低噪声放大器包括输入变压器TF1、第一级共源放大电路CS1、第一级间变压器TF2、第二级共源放大电路CS2、第二级间变压器TF3、第三极共源放大电路CS3和输出变压器TF4，所述输入变压器TF1包括初级线圈Bp、第一次级线圈Bg和第二次级线圈Bs；第一级共源放大电路CS1包括第一晶体管M1、和第二晶体管M2；第一级间变压器TF2包括初级线圈和次级线圈；第二级共源放大电路CS2包括第三晶体管M3、第四晶体管M4、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1及第二电容C2；第二级间变压器TF3包括初级线圈和次级线圈；第三级共源放大电路CS3包括第五晶体管M5、第六晶体管M6、第三电阻R3、第四电阻R4、第三电容C3及第四电容C4；输出变压器TF4包括初级线圈和次级线圈，其具体连接方式为：
射频输入信号RFin与输入变压器TF1初级线圈Bp一端相连，输入变压器TF1初级线圈Bp的另一端接地；输入变压器TF1第一次级线圈Bg的几何中心位置与第一偏置电压 Vb1相连，输入变压器TF1第一次级线圈Bg的一端与第一晶体管M1的栅极相连，输入变压器TF1第一次级线圈Bg的另一端与第二晶体管M2的栅极相连，输入变压器TF1第二次级线圈Bs的几何中心位置接地，输入变压器TF1第二次级线圈Bs的一端与第一晶体管M1的源极相连，输入变压器TF1第二次级线圈Bs的另一端与第二晶体管M2的源极相连；
第一晶体管M1的漏极与第一级间变压器TF2初级线圈的一端相连，第一级间变压器TF2初级线圈的另一端与第二晶体管M2的漏极相连；第一级间变压器TF2初级线圈的几何中心位置与电源电压AVDD相连；第一级间变压器TF2次级线圈一端与第三晶体管M3的栅极相连，第一级间变压器TF2次级线圈另一端与第四晶体管M4的栅极相连；第三晶体管M3的栅极与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端与第四晶体管M4的漏极相连；第四晶体管M4的栅极与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端与第三晶体管M3的漏极相连；第三晶体管M3栅极与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端与第二级直流偏置Vb2相连，第四晶体管M4栅极与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与第二级直流偏置Vb2相连；
第三晶体管M3的漏极与第二级间变压器TF3初级线圈的一端相连，第二级间变压器TF3初级线圈的另一端与第四晶体管M4的漏极相连；第二级间变压器TF3初级线圈的几何中心位置与电源电压AVDD相连；第二级间变压器TF3次级线圈一端与第五晶体管M5的栅极相连，第二级间变压器TF3次级线圈另一端与第六晶体管M6的栅极相连；第五晶体管M5的栅极与第三电容C3的一端相连，第三电容C3的另一端与第六晶体管M6的漏极相连；第五晶体管M5的漏极与第四电容C4的一端相连，第四电容C4的另一端与第六晶体管M6的栅极相连；第五晶体管M5栅极与第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端与第三级直流偏置Vb3相连，第六晶体管M6栅极与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端与第三级直流偏置Vb3相连；
第五晶体管M5漏极与输出变压器TF4的初级线圈一端相连，输出变压器TF4的初级线圈的另一端与第六晶体管M6漏极相连，输出变压器TF4的初级线圈几何中心位置与电源电压AVDD相连，输出变压器TF4次级线圈的一端与射频输出信号RFout相连，输出变压器TF4次级线圈的另一端接地。
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