CN113783538B - 一种cmos低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CMOS低噪声放大器，应用于收发共口径多波束相控阵接收通道，工作中心频率为19GHz。该低噪声放大器采用两级共源共栅级联结构，可获得高增益；两级共源共栅的共源管均添加了LC陷波网络，以抑制发射通道对接收通道的干扰，同时通过可变电容实现增益抑制可调；低噪声放大器的输出端连接变压器巴伦，实现从单端输出到双端输出的转换。低噪放的输入匹配采用串联电感的方式，级间匹配采用五阶网络，并包含一个T型电感匹配网络，低噪放的单端输出端到变压器巴伦的输入端采用T型匹配网络，同时变压器巴伦的输出利用次级调谐电容和并联电容匹配到两路差分输出端。

Description

一种CMOS低噪声放大器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，尤其涉及一种CMOS低噪声放大器。
背景技术
随着射频硅基芯片技术的发展，数模电路集成能力和通道集成度优势明显，模拟多波束形成具有低功耗、低成本、高可靠、高集成、小型化、通用化的特点。目前，国内外基本是收发分离形式，具有收发共口径、多波束相控阵能力的暂无相关报道，因此低成本收发共口径多波束相控阵天线及芯片研制的共性关键技术亟需深入研究。
针对卫通终端的低成本、小型化和通用化目标，收发共口径多波束相控阵天线及芯片研制在设计方面将面临在收发共口径下接收通道面临强自干扰，以及接收通道的大动态低噪声问题。低噪声放大器位于接收通道的第一级，需要具备低噪声、高增益、大动态的特点，才能保证接收通道的优良性能。一般的低噪声放大器只需关注工作频段内的性能指标，但是在收发共口径的毫米波相控阵接收通道设计中，接收机必须在即使有发射频段大功率信号输入的情况下依旧正常工作。
发明内容
本发明目的在于提供一种CMOS低噪声放大器,以解决不仅可以满足接收频段内的性能指标，还可以满足发射频段内负增益、高线性度、增益抑制可调的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种CMOS低噪声放大器，包括：输入匹配网络，第一级共源共栅结构，第一级LC陷波网络，级间匹配网络，第二级共源共栅结构，第二级LC陷波网络，输出匹配网络，单端转差分的变压器巴伦；
所述输入匹配网络采用串联电感的方式；
所述第一级共源共栅结构包括共源晶体管M1，共栅晶体管M2，电压Vb1、偏置电阻Rb1和电压Vcas1；所述共源晶体管M1的栅极与输入匹配网络连接，栅极偏置电压由电压Vb1提供，偏置电阻Rb1用于阻止交流信号通过；所述共源晶体管M1的源极连接第一级LC陷波网络，以抑制发射频段增益；第一级LC陷波网络的另一端接地；所述共栅晶体管M2的漏极连接级间匹配网络，共栅晶体管M2的栅极偏置电压由电压Vcas1提供；
所述第二级共源共栅结构包括共源晶体管M3，共栅晶体管M4，电压Vb2，偏置电阻Rb2，电阻R、控制电压VC和电压Vcas2；所述共源晶体管M3连接第二级LC陷波网络，以抑制发射频段增益；第二级LC陷波网络的另一端接地；所述第二级LC陷波网络包括可变电容Cvar，实现发射频段增益抑制可调，可变电容Cvar的容值由控制电压VC决定，电阻R用于阻止交流信号通过；第二级共源共栅结构的共源晶体管M3的栅极偏置电压由电压Vb2提供，偏置电阻Rb2用于阻止交流信号通过；共栅晶体管M4的栅极偏置电压由电压Vcas2提供，共栅晶体管M4的漏极连接输出匹配网络；
所述第一级LC陷波网络和第二级LC陷波网络的源极负反馈电感均用传输线形式实现，输线周围加入保护环；
所述级间匹配网络采用五元件匹配方式，并采用T形电感匹配网络；
所述输出匹配网络采用T形匹配网络，输出匹配网络后面连接一个单端转差分的变压器巴伦，实现从单端输出到双端输出的转换；
所述变压器巴伦的初级线圈一端接地，巴伦的次级线圈中心抽头接地，次级线圈的输出端连接一个次级调谐电容C4，最终通过电容C5、C6匹配到两个差分输出端口。
进一步的，所述第一级LC陷波网络包括电感Ls1和电容Cs1。
进一步的，所述级间匹配网络是电感L2、L3、L4组成的T形电感匹配网络，电感L3的一端连接电压VDD1从而给共栅晶体管M2提供漏极偏置电压，电感L4后面连接一个并联电容C1和一个串联电容C2，电感L2、L3、L4组成一个五阶级间匹配网络。
进一步的，所述第二级LC陷波网络还包括电感Ls2、电容Cs2和电容Cs3。
进一步的，所述输出匹配网络是由电感L5、L6和电容C3组成的T形匹配网络，电容C3后面连接变压器巴伦。
进一步的，所述输入匹配网络包括隔直电容Cb和输入匹配电感L1。
进一步的，所述变压器巴伦采用垂直耦合结构，并采用顶层金属和次顶层金属以获得高电感品质因数。
进一步的，所述保护环用M1到M9共九层金属制作，保护环做开口处理，防止保护环与电感耦合形成涡流。
本发明的一种CMOS低噪声放大器，具有以下优点：
(1)本发明提出每一级共源共栅结构的共源晶体管的源极LC陷波网络，在发射频段并联谐振呈现高阻状态，从而降低发射频段内的增益，提高发射频段的线性度，提高接收通道的抗干扰能力。
(2)本发明设计一种带保护环的传输线电感结构，可以降低电感的损耗，提高电感的Q值。
(3)本发明设计一种带可变电容的LC陷波网络，通过改变控制电压实现增益抑制可调。
(4)本发明采用五阶级间匹配网络，有效提高了低噪声放大器的1dB增益带宽，避免了增益在带限处滚降过快。
(5)本发明设计一种对称性良好且中心抽头接地的变压器巴伦，改善片上变压器的幅度平衡性和相位平衡性。
附图说明
图1为本发明的CMOS低噪声放大器电路图；
图2为本发明的变压器巴伦三维立体图；
图3为本发明的源极负反馈电感三维立体图；
图4为本发明的增益仿真结果图；
图5为本发明的噪声系数仿真结果图；
图6为本发明的线性度仿真结果图；
图7为本发明的变压器巴伦幅相平衡性仿真结果图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种CMOS低噪声放大器做进一步详细的描述。
如图1所示，CMOS低噪声放大器采用第一级共源共栅级联结构和第二级共源共栅级联结构，以获得足够增益；第一级共源共栅级联结构的共源晶体管M1和第二级共源共栅级联结构的共源晶体管M3均添加了LC陷波网络，以抑制发射频段增益，第二级LC陷波网络引入可变电容Cvar以实现发射频段增益抑制可调；输出匹配网络连接变压器巴伦，实现从单端输出到双端输出的转换。输入匹配网络采用串联电感的方式，级间匹配网络采用五元件匹配方式，并采用T形电感匹配网络，输出匹配网络输出端到变压器巴伦的输入端T形匹配网络，同时变压器巴伦的输出利用次级调谐电容和并联电容的方式匹配到两路差分输出端。
具体的，CMOS低噪声放大器，包括：输入匹配网络，第一级共源共栅结构，第一级LC陷波网络，级间匹配网络，第二级共源共栅结构，第二级LC陷波网络，输出匹配网络，单端转差分的变压器巴伦。输入信号RFin经过隔直电容Cb和输入匹配电感L1组成的输入匹配网络，到达第一级共源共栅结构的共源晶体管M1的栅极，而栅极偏置电压由电压Vb1提供，偏置电阻Rb1用于阻止交流信号通过。共源晶体管M1的源极连接一个由Ls1、Cs1组成的第一级陷波网络，Ls1、Cs1的另一端接地。共栅晶体管M2的栅极偏置电压由电压Vcas1提供，共栅晶体管的漏极连接级间匹配网络，级间匹配网络是一个由电感L2、L3、L4组成的T形电感匹配网络，电感L3的一端连接VDD1从而给共栅晶体管M2提供漏极偏置电压，电感L4后面连接一个并联电容C1和一个串联电容C2，电感L2、L3、L4组成一个五阶级间匹配网络。第二级共源共栅结构的共源晶体管M3的栅极偏置电压由Vb2提供，偏置电阻Rb2用于阻止交流信号通过。共源晶体管M3的源极连接一个由电感Ls2、电容Cs2、Cs3和可变电容Cvar组成的第二级陷波网络，可变电容Cvar的容值由控制电压VC决定，电阻R用于阻止交流信号通过，Ls2、Cs2、Cs3的另一端接地。共栅晶体管M4的栅极偏置电压由Vcas2提供，共栅晶体管的漏极连接输出匹配网络，输出匹配网络是一个由电感L5、L6和电容C3组成的T形匹配网络。电容C3后面连接一个单端转差分的变压器巴伦，变压器巴伦的初级线圈一端接地，变压器巴伦的次级线圈中心抽头接地，次级线圈的输出端连接一个次级调谐电容C4，最终通过电容C5、C6匹配到两个差分输出端口。
在40nm CMOS工艺的条件下，低噪声放大器通过源极负反馈电感实现噪声匹配；通过包含T形电感的五阶级间匹配网络实现良好的增益平坦度；利用LC陷波网络实现发射频段负增益、高线性度，第二级共源共栅结构的LC陷波网络添加可变电容，通过控制电压改变容值从而实现增益抑制可调；利用次级线圈中心抽头接地的变压器巴伦实现良好的幅相平衡性。
输入匹配方面，为了使电路的输入端兼顾功率匹配和噪声匹配，引入源极负反馈电感Ls1(源极负反馈电感图如图3所示)，以同时调节输入阻抗的实部和虚部，保证实现噪声匹配的同时，功率尽可能地传输至电路。级间匹配方面，为了增加低噪声放大器的工作带宽，优化增益平坦度，级间匹配采用T形电感匹配网络。T形电感网络可引入两个谐振点，使得传输函数中有两个极点，从而增加输入匹配网络的工作带宽，避免增益在带限处滚降过快。低噪声放大器的输出端，需要完成单端信号到差分信号的转换，为了实现良好的平衡性，本发明所设计的巴伦采用对称的几何结构，并在次级线圈的中间添加中心抽头，中心抽头接地。为了使变压器巴伦损耗尽可能低，本专利所设计的巴伦采用垂直耦合结构，并采用顶层金属和次顶层金属以获得高电感品质因数。
为了降低低噪声放大器在发射频段的增益，提高发射频段的线性度，提高抗干扰能力，在第一级、第二级共源共栅结构的共源管的源极各添加一个LC谐振网络。其目的是尽量使得LC谐振网络在发射频段谐振，从而呈现高阻状态，降低低噪声放大器在发射频段的增益，而在接收频段LC谐振网络整体呈现感性，对接收频段的电路特性影响很小。在实际电路设计中，发射频段增益最低与线性度最优并非同时出现，而且源极LC谐振网络对接收频段特性不能产生不良影响，所以需要折中考虑。
源极负反馈电感感值较小，可以通过传输线电感实现，但是CMOS工艺重掺杂晶圆片存在不可忽略的衬底损耗，利用图案化的接地屏蔽层可以有效阻止电感与衬底之间的耦合，降低电感的损耗，提高电感的Q值。两个LC陷波网络中的源极负反馈电感均用传输线形式实现，传输线周围加入保护环，保护环用M1到M9共九层金属制作，相当于在电感的外部设置一圈金属隔离墙，隔离墙接地电位，隔离电感内外的电磁波，减小电感与外界的相互电磁干扰，为了防止保护环与电感耦合形成涡流，保护环应做开口处理。
在第二级共源共栅结构的源极LC陷波网络中引入可变电容管，由于MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)管形成的电容容值可以根据栅极电压而改变，所以这里通过改变电压VC的值来控制可变电容管的容值。可变电容管容值变化引起LC陷波网络中电容C变化，LC并联谐振频率随之变化，从而对同一频率可以实现不同程度的增益抑制。
下面结合图1对本专利做出更为详细的说明：
首先需要确定晶体管的尺寸，在选择晶体管的尺寸时，需要考虑单个晶体管的最大可达增益Gmax(Maximum Available Gain)和最小噪声系数NFmin(Minimum noisefigure)。由于存在两个优化目标，故在不能同时达到最优时，需要进行折中。同时，需要考虑到直流功耗与cascode(共源共栅)结构的输入输出阻抗。减小晶体管尺寸可以降低直流功耗，但是会使输入阻抗变大，不利于阻抗匹配。
源极负反馈电感可同时调节输入阻抗的实部和虚部，从而有助于减小Zin*(输入阻抗的共轭值)和Zopt(最佳噪声源阻抗)之间的差距。由于源极负反馈电感会引起增益降低，故源极负反馈电感的感值不能取的过大。CMOS低噪声放大器整体增益会随着第一级源极退化电感感值的增大而逐渐减小，如图3所示，该CMOS低噪声放大器第一级的源极负反馈电感选取为80pH，而在共源晶体管M1的栅极，串联一个电感实现输入匹配。低噪声放大器的噪声系数仿真结果如图5所示。
为了增加低噪声放大器工作带宽，优化增益平坦度，级间匹配网络采用T形电感匹配网络。T形网络引入的两个谐振点，使得传输函数中有两个极点，这两个极点决定了CMOS低噪声放大器工作带宽的上限和下限。如图4所示，通过调整匹配元件参数，使得两个谐振点一左一右，并且两个谐振点处增益相近。
为了降低低噪声放大器在发射频段的增益，提高发射频段的线性度，提高抗干扰能力，在第一级共源共栅结构的共源晶体管M1和第一级共源共栅结构的共源晶体管M3的源极各添加一个LC谐振网络。其目的是尽量使得LC谐振网络在发射频段(中心频率29GHz)谐振，从而呈现高阻状态，降低CMOS低噪声放大器在发射频段的增益，而在接收频段LC谐振网络整体呈现感性，对接收频段的电路特性影响很小。理论上讲，使得LC并联网络在发射频段谐振，则在29GHz处应该满足条件：ωL＝1/ωC，而实际电路设计中，发射频段增益最低与线性度最优并非同时出现，而且源极LC谐振网络会对接收频段特性产生一定影响，所以需要折中考虑。同时，在第二级共源共栅结构的源极LC陷波网络中引入可变电容管，由于MOSFET管形成的电容容值可以根据栅极电压而改变，所以这里通过改变电压VC的值来控制可变电容管的容值。可变电容管容值变化引起LC陷波网络中电容C变化，LC并联谐振频率随之变化，从而对同一频率可以实现不同程度的增益抑制。如图6所示，低噪声放大器在接收频段(中心频率19GHz)和发射频段(中心频率29GHz)的线性度可由输入1dB压缩点来衡量。
变压器巴伦实际上是一种三端口器件，将单端信号转化为双端信号。理想变压器巴伦的两路输出要保持幅度相等，相位相反，而实际设计中，由于初次级线圈寄生电容使得差分端信号幅度往往不一致、相位差偏离180°，所以在设计变压器巴伦时，需要格外注意差分端的幅度平衡性、相位平衡性。为了实现良好的平衡性，如图2所示，本专利所设计的变压器巴伦采用对称的几何结构，并在次级线圈的中间添加中心抽头，中心抽头接地。变压器巴伦的幅相平衡性仿真结果，如图7所示。为了使变压器巴伦损耗尽可能低，本专利所设计的变压器巴伦采用垂直耦合结构，初级线圈为顶层金属M10，一端接地，另一端接单端输入；次级线圈为次顶层金属M9，两端为差分输出端，中心抽头接地，采用顶层金属和次顶层金属可以获得高电感品质因数。
本发明的工作过程如下：
本发明所设计的应用于收发共口径多波束相控阵接收通道的低噪声放大器，采用40nm CMOS工艺，先经过电路前仿真初步确定元件参数值，再对所有的电感进行版图绘制并进行EM仿真，在路场联合仿真中对无源器件进行不断迭代、优化，最终确定满足设计指标要求的电路参数。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种CMOS低噪声放大器，其特征在于，包括：输入匹配网络，第一级共源共栅结构，第一级LC陷波网络，级间匹配网络，第二级共源共栅结构，第二级LC陷波网络，输出匹配网络，单端转差分的变压器巴伦；
所述输入匹配网络采用串联电感的方式；
所述第一级共源共栅结构包括共源晶体管M1，共栅晶体管M2，电压Vb1、偏置电阻Rb1和电压Vcas1；所述共源晶体管M1的栅极与输入匹配网络连接，栅极偏置电压由电压Vb1提供，偏置电阻Rb1用于阻止交流信号通过；所述共源晶体管M1的源极连接第一级LC陷波网络，以抑制发射频段增益；第一级LC陷波网络的另一端接地；所述共栅晶体管M2的漏极连接级间匹配网络，共栅晶体管M2的栅极偏置电压由电压Vcas1提供；
所述第二级共源共栅结构包括共源晶体管M3，共栅晶体管M4，电压Vb2，偏置电阻Rb2，电阻R、控制电压VC和电压Vcas2；所述共源晶体管M3连接第二级LC陷波网络，以抑制发射频段增益；第二级LC陷波网络的另一端接地；所述第二级LC陷波网络包括可变电容Cvar，实现发射频段增益抑制可调，可变电容Cvar的容值由控制电压VC决定，电阻R用于阻止交流信号通过；第二级共源共栅结构的共源晶体管M3的栅极偏置电压由电压Vb2提供，偏置电阻Rb2用于阻止交流信号通过；共栅晶体管M4的栅极偏置电压由电压Vcas2提供，共栅晶体管M4的漏极连接输出匹配网络；
所述第一级LC陷波网络和第二级LC陷波网络的源极负反馈电感均用传输线形式实现，输线周围加入保护环；
所述级间匹配网络采用五元件匹配方式，并采用T形电感匹配网络；
所述输出匹配网络采用T形匹配网络，输出匹配网络后面连接一个单端转差分的变压器巴伦，实现从单端输出到双端输出的转换；
所述变压器巴伦的初级线圈一端接地，巴伦的次级线圈中心抽头接地，次级线圈的输出端连接一个次级调谐电容C4，最终通过电容C5、C6匹配到两个差分输出端口。
2.根据权利要求1所述的CMOS低噪声放大器，其特征在于，所述第一级LC陷波网络包括电感Ls1和电容Cs1。
3.根据权利要求1所述的CMOS低噪声放大器，其特征在于，所述级间匹配网络是电感L2、L3、L4组成的T形电感匹配网络，电感L3的一端连接电压VDD1从而给共栅晶体管M2提供漏极偏置电压，电感L4后面连接一个并联电容C1和一个串联电容C2，电感L2、L3、L4组成一个五阶级间匹配网络。
4.根据权利要求1所述的CMOS低噪声放大器，其特征在于，所述第二级LC陷波网络还包括电感Ls2、电容Cs2和电容Cs3。
5.根据权利要求1所述的CMOS低噪声放大器，其特征在于，所述输出匹配网络是由电感L5、L6和电容C3组成的T形匹配网络，电容C3后面连接变压器巴伦。
6.根据权利要求1所述的CMOS低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配网络包括隔直电容Cb和输入匹配电感L1。
7.根据权利要求1所述的CMOS低噪声放大器，其特征在于，所述变压器巴伦采用垂直耦合结构，并采用顶层金属和次顶层金属以获得高电感品质因数。
8.根据权利要求2或4所述的CMOS低噪声放大器，其特征在于，所述保护环用M1到M9共九层金属制作，保护环做开口处理，防止保护环与电感耦合形成涡流。
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