CN112332786A - 芯片级全集成低增益温漂射频放大器 - Google Patents

芯片级全集成低增益温漂射频放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种芯片级全集成低增益温漂射频放大器，增益温漂小、能够保证双极型晶体放大管跨导保持相对恒定。本发明通过下述技术方案实现：上电时，负温度系数跨导参考源主电路从处于零电流的非正常工作状态纠正到正常的工作状态，并产生与电阻相关的负温度系数跨导参考电流，PMOS晶体管PM7通过负温度系数跨导参考源主电路上的PMOS晶体管PM2组成电流镜的方式，将负温度系数跨导参考电流复制到正温度系数跨导参考源电路中，负温度系数跨导参考源与正温度系数跨导参考源调节各自的温度系数，并叠加到射频放大器电路的参考电流中，从而实现相对恒定的增益温漂射频放大器。本发明涉及无线通信领域射频收发机中的射频放大器。

Description

芯片级全集成低增益温漂射频放大器
技术领域
本发明涉及一种无线通信领域射频收发机中的射频信号放大器，尤其涉及一种芯片级全集成低增益温漂射频信号放大器。
背景技术
射频(RF)信号放大器是各种无线发射机的重要组成部分。射频即RadioFrequency，通常缩写为RF。表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz～30GHz之间。射频简称RF射频就是射频电磁波，它是一种高频交流变化电磁波的简称。射频信号和射频概念一样，就是经过调制的，拥有一定发射频率的电波。我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频,射频技术在无线通信领域中被广泛使用。射频放大器或射频功率放大器是经过微调的放大器，可以提高无线电通信中使用的高频信号。它们在电子电路中和其他部件一起使用。射频功放属于发射部分，是为了把射频电路产生的功率进行放大驱动射频波能够发射更远；射频信号增益是属于接收部分，是为了增强接收信号，让通讯效果更佳。大功率射频放大器增益，如果信号太低不能在电路的其他位置使用，可以通过此放大器提高信号。射频放大器可提高信号，同时充分减少噪音或失真，它甚至可以和极低电平的信号一起使用，比如天线信号。射频放大器在不同领域有各种应用，包括通信测试和医疗诊断以及语音和数据通信。射频信号放大器是无线通讯系统中收发机的重要组成部分，它主要对系统的级间射频信号进行放大。随着无线信号的频率越来越高，所发射信号功率非常小，用在检测、接受、发射等方面都是难以达到相应的效果。增益温漂指的是射频放大器的增益随温度变化而波动的值。增益的温漂将引起测量精度的恶化严重影响通讯系统的稳定性。若射频放大器在不同温度下增益的变化值过大，增益温漂误差将严重影响无线收发系统的正常工作。为了使得芯片级射频放大器的增益不随温度的变化而发生改变，在传统的放大管设计中，往往采用带低增益温漂的芯片外基准电阻的恒定跨导基准电流源作为偏置电路。这种方案虽然可以实现较低的增益温漂性能，但是片外器件的存在增大了系统在使用芯片时的体积、重量和价格成本，不利于小型化和低成本的系统集成。因此，在不采用片外参考电阻器件的条件下，如何设计出全片上集成的低增益温漂放大器，是射频集成电路设计领域的一大挑战。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种增益温漂小、能够保证双极型晶体放大管跨导保持相对恒定的射频放大器，在不使用片外高精度参考电阻的前提下，实现芯片级全集成低增益温漂射频信号放大器。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种芯片级全集成低增益温漂射频放大器，包括：并联在公共端Gnd与电源端Vdd之间的负温度系数跨导参考源电路、正温度系数跨导参考源电路和射频放大器电路，其特征在于：在系统上电时，负温度系数跨导参考源主电路从处于零电流的非正常工作状态纠正到正常的工作状态，并产生与电阻相关的负温度系数跨导参考电流，PMOS晶体管PM7通过负温度系数跨导参考源主电路上的PMOS 晶体管PM2组成电流镜的方式，将负温度系数跨导参考电流复制到正温度系数跨导参考源电路中，负温度系数跨导参考源与正温度系数跨导参考源调节各自的温度系数，并叠加到射频放大器电路的参考电流中，从而实现相对恒定的增益温漂射频放大器。
本发明相比于现有技术具有如下优点：
本发明采用并联在公共端Gnd与电源端Vdd之间的负温度系数跨导参考源电路、正温度系数跨导参考源电路和射频放大器电路，体小重量轻，成本低，可通过调节负温度系数的跨导参考源与正温度系数的跨导参考源各自的温度系数，二者叠加后给到放大器电路的参考电流，能够保证放大器的双极型晶体放大管保持相对恒定的跨导，实现相对恒定的增益温漂射频放大器。这种在不采用传统方案中使用到的片外高精度参考电阻的条件下，利用负温度系数的跨导参考源与正温度系数的跨导参考源的参考电流叠加，不仅保证了射频放大器的双极型晶体放大管保持相对恒定的跨导，而且受温度变化影响很小。
附图说明
图1是本发明芯片级全集成低增益温漂射频放大器的系统框图；
图2是图1负温度系数跨导参考源电路的原理示意图；
图3是图1正温度系数跨导参考源电路的原理示意图；
图4是图3改进型共源电流镜的工作原理示意图；
图5是图1射频信号放大器的一种实现形式。
具体实施方式
参阅图1。在以下实施例描述的一个最佳实施例中，一种芯片级全集成低增益温漂射频放大器，包括：并联在公共端Gnd与电源端Vdd之间的负温度系数跨导参考源电路、正温度系数跨导参考源电路和射频放大器电路。在系统上电时，负温度系数跨导参考源主电路从处于零电流的非正常工作状态纠正到正常的工作状态，并产生与电阻相关的负温度系数跨导参考电流，PMOS晶体管PM7通过负温度系数跨导参考源主电路上的PMOS晶体管PM2 组成电流镜的方式，将负温度系数跨导参考电流复制到正温度系数跨导参考源电路中，负温度系数跨导参考源与正温度系数跨导参考源调节各自的温度系数，并叠加到射频放大器电路的参考电流中，从而实现相对恒定的增益温漂射频放大器。
从PMOS晶体管PM7漏极pin1输出的电流I0由下式表示
Figure BDA0002752624600000031
Figure BDA0002752624600000032
热电压Vt＝kT/q，
流入PMOS晶体管PM7漏极pin1的电流I0，通过电流镜放大n倍后直接供给单管射频放大器使用，根据电流复制比例n和公共端Gnd上的电阻R1的阻值，则可以计算出射频放大器BJT放大管的跨导gm0由下式表示
Figure BDA0002752624600000033
式中：A_为负温度系数跨导参考源主电路上的BTJ3管、BTJ2管的面积，m为二者的比值；k为波尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)，T为热力学温度(单位为K)，q为电子电荷(1.6×10- 19C)。对于特定的设计为恒定值，电阻R1的阻值与温度成正相关；所以射频放大管跨导 gm0与温度成负相关。综上所述，负温度系数跨导参考源主电路可以产生与电阻R1相关的负温度系数跨导参考电流。
参阅图2。负温度系数跨导参考源电路，包括：顺次串联的启动电路、负温度系数跨导参考源主电路和钳位运放电路，以及连接启动电路NMOS管NM2漏极的一个复制电流作用的PMOS晶体管PM7。
启动电路包括：电连接电源端Vdd的PMOS管PM1，通过双极型晶体管BTJ1连接的NMOS管NM1和连接在PMOS管PM1与BTJ1之间的NM2，其中，PMOS晶体管PM1 的源极连接在Vdd电源线上，BTJ1的基极短接集电极，NM1的漏极短接栅极，BTJ1与 NM1短接后共端相连于NM2的栅极，NM1的源极连接在公共端Gnd地线上,NM2的漏极和PMOS晶体管PM7栅极通过并联接点连接负温度系数跨导参考源主电路的短接点B， NM2的源极连接负温度系数跨导参考源主电路的短接点A。在系统上电时，若负温度系数跨导参考源主电路处于零电流的非正常工作状态，此时B点电位＝Vdd,A点电位＝Gnd，启动电路的NM2管会开启，为B点到A点提供一个电流通路,将B点电流拉低，A点电流拉高最终将负温度系数跨导参考源主电路从处于零电流的非正常工作状态纠正到正常的工作状态，此后NM2管会关断。
负温度系数跨导参考源主电路包括：连接在Vdd电源线上，栅极背靠背相连的PMOS晶体管PM2、PM3，尺寸相同的PMOS晶体管PM2与PM3组成电流镜，强制流晶体管过BTJ2 与BTJ3的集电极电流相等；PMOS晶体管PM2的栅极与PM3的栅极连线通过B点分别连接后端钳位运放电路的PMOS管PM4与PMOS晶体管PM6，PMOS晶体管PM2的漏极连线通过A点分别连接BTJ2的集电极和后端钳位运放电路的NM6，PMOS晶体管PM3的漏极连线通过C点连接分别连接晶体管BJT3的集电极和后端钳位运放电路的NMOS管NM5，BTJ2的射极连接在Gnd地线上，基极与集电极短接后通过接点A连接后端钳位运放电路的NMOS管NM6，晶体管BJT3的基极连接晶体管BTJ2的基极，集电极通过C点连接后端钳位运放电路的NMOS管 NM5，射极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与Gnd地线连接。
钳位运放电路包括：连接在Vdd电源线上的PMOS管PM4、电容C1、PM5和PM6，连接在Gnd地线上的NMOS管NM3、NM4，以及通过NMOS管NM4栅极相连的NM5、 NM6，其中，PMOS晶体管PM4的栅极连接B点，源极连接Vdd电源线，PM4连线通过 NM3连接NM4组成电流镜，为钳位运放电路提供了尾电流源偏置电流。PM5与PM6的尺寸相同，PMOS晶体管PM5的漏极和栅极短接后与PMOS晶体管PM6的栅极连接，源极连接Vdd电源线；PMOS晶体管PM6的源极与Vdd电源线连接。
NM3的漏极和栅极短接后与PM4的漏极连接，源极与Gnd地线连接；NM4的栅极与NM3的栅极连接，源极与Gnd地线连接。NM5的栅极与C点连接，源极与NM4的漏极连接，漏极与PMOS晶体管PM5漏极连接；NM6的栅极与A点连接，源极与NM4的漏极连接，漏极与PM6漏极以及C点连接。
电路在工作中，若C点的电位略高于A点的电位，则B点的点位会下降，使得C点的电位降低，直至C点的电位等于A点的电位；若C点的电位略低于A点的电位，则B点的点位会上升，使得C点的电位上升，直至C点的电位等于A点的电位。综上所述，钳位运放电路通过负反馈的原理，使得C点的电位等于A点的电位，从而保证了PM2与PM3 组成的电流镜能够精准的复制电流。
参阅图3。正温度系数跨导参考源，包括常规共源共栅电流镜与改进型共源电流镜。该参考源电路首先利用一组由4个NMOS晶体管组成的常规共源共栅电流镜将来自负温度系数跨导参考源的参考电流复制一次；然后复制后的电流通过了一组由2个PMOS晶体管和1个NMOS晶体管组成的改进型共源电流镜。利用PMOS晶体管栅极漏电流,通过工作在浅线性区的NMOS晶体管时产生的随温度变化的压降，被改进型共源电流镜复制后参考电流呈现出正温度系数。
正温度系数跨导参考源电路包括：常规共源共栅电流镜与改进型共源电流镜，改进型共源电流镜包括：背靠背连接的NMOS管NM7、NM8与背靠背连接的NMOS管NM9、 NM10源极连接，以及连接在Vdd电源线上的PMOS晶体管PM10及其连接在短接了栅极和漏极的PMOS管PM10与PM11之间的NMOS管NM11，NM11的漏极连接PM11管的栅极；常规共源共栅电流镜将来自负温度系数跨导参考源PM7管的参考电流I0复制，通过NM10管输出与I0大小相等的电流I1至PMOS晶体管PM10管，其中，NM7与NM8的尺寸相同，NM9与NM10的尺寸相同，NM9的栅极和漏极短接后与NM10的栅极连接，NM7 的栅极和漏极短接后与NM8的栅极连接，NM9的源极与NM7的漏极连接，NM10的源极与NM8的漏极连接，NM7的源极与Gnd地线连接，NM8的源极与Gnd地线连接。
参阅图4。为了使PM11的漏源电流I2出现明显的变化,需要PM11的栅极出现毫伏级别以上的电压变化，因此在所述改进型共源电流镜的PMOS晶体管PM10与PMOS晶体管PM11源极连线D点与E点增加一个正温度系数的电阻RNM11，PM11栅氧化层的漏电流再通过这个电阻RNM11后会产生压降；由于PM11栅氧化层的漏电流非常微弱，需要让其通过非常大的RNM11电阻才能产生毫伏级别的压降；而在芯片上无法通过常规电阻器件实现吉欧级别的电阻；在实施例中，利用了一个偏置在浅线性区的NMOS管实现了吉欧级别的电阻RNM11，通过调节电阻RNM11下方pin3的电压值，使得NM11管工作在浅线性区，此时的 NM11管可以等效为一个负温度系数的电阻RNM11，其温度系数可由pin3的电压值调节；而通过PMOS晶体管PM11栅氧化层的微弱漏电流为Ig，电阻RNM11两端的E点与D点的电位差由下式表示VED＝Ig·RNM11
在一种典型的设计情况下,常温时电阻RNM11＝10GΩ，漏电流Ig为1pA,E点与D点的电位差为10mV。
根据PMOS晶体管PM10管的过驱动电压Vov_PM10，射频信号放大电路从常规共源共栅电路输出的电流I1，经过改进型共源电流镜复制后产生电流I2，二者关系由下式表示虽然
Figure BDA0002752624600000051
虽然Ig与Vov_PM10也会随温度发生小幅变化，但电阻RNM11随温度的变化幅度起主导地位。所以，
Figure BDA0002752624600000052
为正温度系数因子。
参阅图5。射频信号放大器包括：连接公共端Gnd与电源端Vdd之间的电容C1，串联在的双极型晶体管BTJ4与BTJ5基极之间的电感L1，BTJ4与BJT5的射极与地线Gnd连接，BTJ4的集电极与基极短接后连接pin2，BTJ5集电极连接通过电感L2连接Vdd电源线，基极连接射频输入端pin4，集电极连接射频输出端pin5。BTJ5管的面积A_BTJ5为 BTJ4管的面积A_BTJ4的h倍。BJT4通过电流镜为BTJ5提供直流偏置；L1阻止射频信号流向偏置电路；L2为BTJ5提供直流通路，同时作为射频信号放大器的负载电感。
射频输入端pin2的电流I2通过BTJ4、BTJ5组成的电流镜放大h倍后供给射频放大器使用，则可以计算出射频放大管的跨导gm1由下式表示
Figure BDA0002752624600000061
射频信号放大器的增益由下式表示Gain＝gm1·ZL
式中：
Figure BDA0002752624600000062
为正温度系数因子，
Figure BDA0002752624600000063
为负温度系数因子，h和m对于特定的设计均为固定值，gm1为不随温度变化的相对恒定跨导，ZL为电感L2与pin5处寄生电容贡献的负载阻抗，该阻抗随温度变化很小。
综上所述，利用PMOS晶体管PM10和PM11栅极漏电流,通过工作在浅线性区的 NMOS晶体管NM11时产生的随温度变化的压降，被改进型共源电流镜复制后参考电流在负温度系数的I1基础上又乘以了一个正温度系数因子。通过合理地设置pin3的电压值，以及选择NM1管的尺寸，以保证放大器的双极型晶体放大管保持相对恒定的跨导，从而实现受温度变化影响很小的恒定增益射频放大器。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。本发明的范围并不局限于所描述的具体技术方案。任何对所描述的具体技术方案中的技术要素进行相同或等同替换获得的技术方案或本领域技术人员在所描述的具体技术方案的基础上不经过创造性劳动就可以获得的技术方案，都应当视为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种芯片级全集成低增益温漂射频放大器，包括：并联在公共端Gnd与电源端Vdd之间的负温度系数跨导参考源电路、正温度系数跨导参考源电路和射频放大器电路，其特征在于：在系统上电时，负温度系数跨导参考源主电路从处于零电流的非正常工作状态纠正到正常的工作状态，并产生与电阻相关的负温度系数跨导参考电流，PMOS晶体管PM7通过负温度系数跨导参考源主电路上的PMOS晶体管PM2组成电流镜的方式，将负温度系数跨导参考电流复制到正温度系数跨导参考源电路中，负温度系数跨导参考源与正温度系数跨导参考源调节各自的温度系数，并叠加到射频放大器电路的参考电流中，从而实现相对恒定的增益温漂射频放大器。
2.如权利要求1所述的芯片级全集成低增益温漂射频放大器，其特征在于：从PMOS晶体管PM7漏极pin1输出的电流I0由下式表示
Figure FDA0002752624590000011
热电压Vt＝kT/q，流入PMOS晶体管PM7漏极pin1的电流I0，通过电流镜放大n倍后直接供给单管射频放大器使用，根据电流复制比例n和公共端Gnd上的电阻R1的阻值，计算出射频放大器BJT放大管的跨导gm0由下式表示
Figure FDA0002752624590000012
负温度系数跨导参考源主电路产生与电阻R1相关的负温度系数跨导参考电流，其中：A_为负温度系数跨导参考源主电路上的BTJ3管、BTJ2管的面积，m为二者的比值；k为波尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电荷，A_为负温度系数跨导参考源主电路上的BTJ3管、BTJ2管的面积，m为二者的比值；k为波尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电荷。
3.如权利要求1所述的芯片级全集成低增益温漂射频放大器，其特征在于：负温度系数跨导参考源电路，包括：顺次串联的启动电路、负温度系数跨导参考源主电路和钳位运放电路，以及连接启动电路NMOS管NM2漏极的一个复制电流作用的PMOS晶体管PM7。
4.如权利要求3所述的芯片级全集成低增益温漂射频放大器，其特征在于：启动电路包括：电连接电源端Vdd的PMOS管PM1，通过双极型晶体管BTJ1连接的NMOS管NM1和连接在PMOS管PM1与BTJ1之间的NM2，其中，PMOS晶体管PM1的源极连接在Vdd电源线上，BTJ1的基极短接集电极，NM1的漏极短接栅极，BTJ1与NM1短接后共端相连于NM2的栅极，NM1的源极连接在公共端Gnd地线上,NM2的漏极和PMOS晶体管PM7栅极通过并联接点连接负温度系数跨导参考源主电路的短接点B，NM2的源极连接负温度系数跨导参考源主电路的短接点A。
5.如权利要求4所述的芯片级全集成低增益温漂射频放大器，其特征在于：在系统上电时，若负温度系数跨导参考源主电路处于零电流的非正常工作状态，此时B点电位＝Vdd,A点电位＝Gnd，启动电路的NM2管开启，为B点到A点提供一个电流通路,将B点电流拉低，A点电流拉高，将负温度系数跨导参考源主电路从处于零电流的非正常工作状态纠正到正常的工作状态，NM2管关断。
6.如权利要求5所述的芯片级全集成低增益温漂射频放大器，其特征在于：负温度系数跨导参考源主电路包括：连接在Vdd电源线上，栅极背靠背相连的PMOS晶体管PM2、PM3，尺寸相同的PMOS晶体管PM2与PM3组成电流镜，强制流过晶体管BTJ2与BTJ3的集电极电流相等；PMOS晶体管PM2的栅极与PM3的栅极连线通过B点分别连接后端钳位运放电路的PMOS管PM4与PMOS晶体管PM6，PMOS晶体管PM2的漏极连线通过A点分别连接BTJ2的集电极和后端钳位运放电路的NM6，PMOS晶体管PM3的漏极连线通过C点连接分别连接晶体管BJT3的集电极和后端钳位运放电路的NMOS管NM5，BTJ2的射极连接在Gnd地线上，基极与集电极短接后通过接点A连接后端钳位运放电路的NMOS管NM6，晶体管BJT3的基极连接晶体管BTJ2的基极，集电极通过C点连接后端钳位运放电路的NMOS管NM5，射极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与Gnd地线连接。
7.如权利要求1所述的芯片级全集成低增益温漂射频放大器，其特征在于：正温度系数跨导参考源电路首先利用一组由4个NMOS晶体管组成的共源共栅电流镜，将来自负温度系数跨导参考源的参考电流复制一次；然后复制后的电流通过了一组由2个PMOS晶体管和1个NMOS晶体管组成的改进型共源电流镜，利用PMOS晶体管栅极漏电流，通过工作在浅线性区的NMOS晶体管时产生的随温度变化的压降，被改进型共源电流镜复制后参考电流呈现出正温度系数。
8.如权利要求1所述的芯片级全集成低增益温漂射频放大器，其特征在于：正温度系数跨导参考源电路包括：常规共源共栅电流镜与改进型共源电流镜，改进型共源电流镜包括：背靠背连接的NMOS管NM7、NM8与背靠背连接的NMOS管NM9、NM10源极连接，以及连接在Vdd电源线上的PMOS晶体管PM10及其连接在短接了栅极和漏极的PMOS管PM10与PM11之间的NMOS管NM11，NM11的漏极连接PM11管的栅极；常规共源共栅电流镜将来自负温度系数跨导参考源PM7管的参考电流I0复制，通过NM10管输出与I0大小相等的电流I1至PMOS晶体管PM10管，其中，NM7与NM8的尺寸相同，NM9与NM10的尺寸相同，NM9的栅极和漏极短接后与NM10的栅极连接，NM7的栅极和漏极短接后与NM8的栅极连接，NM9的源极与NM7的漏极连接，NM10的源极与NM8的漏极连接，NM7的源极与Gnd地线连接，NM8的源极与Gnd地线连接。
9.如权利要求8所述的芯片级全集成低增益温漂射频放大器，其特征在于：所述改进型共源电流镜的PMOS晶体管PM10与PMOS晶体管PM11源极连线D点与E点增加一个正温度系数的电阻RNM11，PMOS晶体管PM11栅氧化层的漏电流通过电阻RNM11产生压降；利用一个偏置在浅线性区的NMOS管实现吉欧级别的电阻RNM11，通过调节电阻RNM11下方pin3的电压值，使得NM11管工作在浅线性区，此时的NM11管等效为一个负温度系数的电阻RNM11，并由pin3的电压值调节获得温度系数，通过PMOS晶体管PM11栅氧化层的微弱漏电流为Ig，电阻RNM11两端的E点与D点的电位差VED＝Ig·RNM11；根据PMOS晶体管PM10管的过驱动电压Vov_PM10，射频信号放大电路从常规共源共栅电路输出的电流I1，经过改进型共源电流镜复制后产生电流I2，二者关系由下式表示：
Figure FDA0002752624590000031
Figure FDA0002752624590000032
其中，
Figure FDA0002752624590000033
为正温度系数因子。
10.如权利要求1所述的芯片级全集成低增益温漂射频放大器，其特征在于：射频信号放大器包括：连接公共端Gnd与电源端Vdd之间的电容C1，串联在的双极型晶体管BTJ4与BTJ5基极之间的电感L1，BTJ4与BJT5的射极与地线Gnd连接，BTJ4的集电极与基极短接后连接pin2，BTJ5集电极通过电感L2连接Vdd电源线，基极连接射频输入端pin4，集电极连接射频输出端pin5，BTJ5管的面积A_BTJ5为BTJ4管的面积A_BTJ4的h倍；BJT4通过电流镜为BTJ5提供直流偏置；L1阻止射频信号流向偏置电路，L2为BTJ5提供直流通路，同时作为射频信号放大器的负载电感；射频输入端pin2的电流I2通过BTJ4、BTJ5组成的电流镜放大h倍后供给射频放大器使用，计算出射频放大管的跨导gm1，
Figure FDA0002752624590000034
Figure FDA0002752624590000035
增益Gain＝gm1·ZL
式中：
Figure FDA0002752624590000036
为正温度系数因子，
Figure FDA0002752624590000037
为负温度系数因子，h和m均为固定值，gm1为不随温度变化的相对恒定跨导，ZL为电感L2与pin5处寄生电容贡献的负载阻抗。
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