CN1252912C - 在片阻抗匹配的低压高线性度射频放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在片阻抗匹配的低压高线性度射频放大器，属无线通信技术领域。该射频放大器包括用于为信号放大器的输入端提供50欧姆输入阻抗的阻抗匹配电路，用于为共源输入晶体管提供负载的负载调谐回路，由负载调谐电感和节点寄生电容组成，用于为共源输入晶体管提供偏置的电阻，用于为信号放大器的输出端提供50欧姆输出阻抗的阻抗匹配电路。本发明提出的射频放大器，可以被用来作为接收机的射频低噪声放大器和发射机的前置放大器，其中射频低噪声放大器具有高增益和低增益两种工作模式，前置放大器具有很高的线性度，两种不同用途的射频放大器都实现了在片输入/输出阻抗匹配功能，可以降低射频系统的复杂性和成本。

Description

在片阻抗匹配的低压高线性度射频放大器

技术领域  本发明涉及一种在片阻抗匹配的低压高线性度射频放大器，属无线通信技术领域。

背景技术  射频放大器(包括低噪声放大器和前置放大器)是无线收发机射频前端中的两个关键模块。低噪声放大器在引入很低噪声的条件下对接收到的射频信号进行放大，以降低后级模块引入的噪声对射频信号的干扰；而前置放大器则对上变频后的射频信号进行放大，提供一定的功率给片外负载，它可以作为功率放大器的驱动级。

目前人们已经提出了多种射频放大器的实现方法。在这些实现中，一些将输入\输出匹配功能放到了片外，这样必然增加系统成本而且降低了稳定度；其它的设计虽然实现了在片输入\输出阻抗匹配功能，但为此功能却使放大器的功耗增加了很多。而且，这些方法针对比较高的电源电压而设计的。随着互补金属氧化物半导体(以下简称CMOS)工艺特征尺寸的不断缩小，电源电压持续下降，而已有的射频放大器不能工作在这么低的电源电压下。

发明内容  本发明的目的是提出一种在片阻抗匹配的低压高线性度射频放大器，以使该放大器能够工作在较低的电源电压下。

本发明提出的在片阻抗匹配的低压高线性度射频放大器，包括输入级、输出级以及输入级和输出级之间的隔直电容C₁，其中的输入级包括：

1、用于为信号放大器的输入端提供50欧姆输入阻抗的阻抗匹配电路，由共源输入晶体管M₁、源简并电感L₁、输入串联电感L₂以及栅源串联电容C₂组成，共源输入晶体管M₁的栅极同时与输入串联电感L₂和栅源串联电容C₂一端相连，其源极同时与栅源串联电容C₂的另一端和源简并电感L₁一端相连，其漏极同时与负载调谐电感L₃的一端和隔直电容C₁的一端相连，其中的共源输入晶体管M₁同时对输入信号进行放大；

2、用于为共源输入晶体管M₁提供负载的负载调谐回路，由负载调谐电感L₃和节点寄生电容组成；

3、用于为共源输入晶体管M₁提供偏置的电阻R₃，电阻R₃的一端与偏置电压电源VB相连，其另一端与共源输入晶体管M₁的栅极相连；

其中的输出级包括：

4、用于为信号放大器的输出端提供50欧姆输出阻抗的阻抗匹配电路，由并联反馈电阻R₁、负载电阻R₂和晶体管M₂组成，共源输出晶体管M₂的栅极同时与隔直电容C₁的一端和并联反馈电阻R₁的一端相连，其源极接地，其漏极同时与并联反馈电阻R₁、负载电阻R₂和输出端相连，其中的共源输出晶体管M₂同时对输出信号进行放大。

本发明提出的在片阻抗匹配的低压高线性度射频放大器可以被用来作为接收机的射频低噪声放大器和发射机的前置放大器，我们已经实现了这两种不同用途的射频放大器，其中射频低噪声放大器具有高增益和低增益两种工作模式，在高增益模式下，它是一个两级级联放大器，并在片实现了输入/输出阻抗匹配。而在低增益模式下，射频信号只通过一个开关管就被传送到输出端并引入一定的损耗，这种模式下，低噪声放大器的功耗基本上为零。而前置放大器的电路结构与低噪声放大器类似，但它具有很高的线性度，能够驱动1.5dBm的功率给50欧姆的负载。为了减少芯片面积，它仅仅利用了键合线电感来实现输入阻抗匹配。本发明实现的这两种不同用途的射频放大器所使用的电源电压仅为1.8V，在低电源电压下，电路各节点的电压摆幅受到限制，会直接影响电路的直流工作点、增益和线性度。使得射频放大器在低压下依然能够保持优良的性能。而且，这两种不同用途的射频放大器都实现了在片输入/输出阻抗匹配功能，可以降低射频系统的复杂性和成本。

附图说明

图1是本发明设计的在片阻抗匹配的低压高线性度射频放大器的电路图。

具体实施方式

本发明提出的在片阻抗匹配的低压高线性度射频放大器，其电路图如图1所示，包括输入级、输出级以及输入级和输出级之间的隔直电容C₁，其中的输入级包括：用于为信号放大器的输入端提供50欧姆输入阻抗的阻抗匹配电路，由共源输入晶体管M₁、源简并电感L₁、输入串联电感L₂以及栅源串联电容C₂组成，共源输入晶体管M₁的栅极同时与输入串联电感L₂和栅源串联电容C₂一端相连，其源极同时与栅源串联电容C₂的另一端和源简并电感L₁一端相连，其漏极同时与负载调谐电感L₃的一端和隔直电容C₁的一端相连，其中的共源输入晶体管M₁同时对输入信号进行放大；用于为共源输入晶体管M₁提供负载的负载调谐回路，由负载调谐电感L₃和节点寄生电容组成；用于为共源输入晶体管M₁提供偏置的电阻R₃，电阻R₃的一端与偏置电压电源VB相连，其另一端与共源输入晶体管M₁的栅极相连；其中的输出级包括：用于为信号放大器的输出端提供50欧姆输出阻抗的阻抗匹配电路，由并联反馈电阻R₁、负载电阻R₂和晶体管M₂组成，共源输出晶体管M₂的栅极同时与隔直电容C₁的一端和并联反馈电阻R₁的一端相连，其源极接地，其漏极同时与并联反馈电阻R₁、负载电阻R₂和输出端相连，其中的共源输出晶体管M₂同时对输出信号进行放大。

上述在片阻抗匹配的低压高线性度射频放大器，使用的电源电压仅为1.8V。在低电源电压下，电路各节点的电压摆幅受到限制，会直接影响电路的直流工作点、增益和线性度。本发明使得射频放大器在低压下依然能够保持优良的性能。而且，本发明提出的射频放大器实现了在片输入/输出阻抗匹配功能，可以降低射频系统的复杂性和成本。

图1给出了本发明提出的射频放大器的电路图，它是一个两级级联放大器，它的输入级由共源输入晶体管M₁、源简并电感L₁、负载调谐回路L₃及节点寄生电容以及输入串联电感L₂组成。在片偏置源通过一个大的电阻R₃电阻给输入晶体管M1提供偏置。

忽略各种寄生元件，由小信号等效电路可以推导出输入级的输入阻抗为：

$Z_m=s{L}_2+\frac{1}{s(C_{\mathrm{gs}}+C_2)}+\frac{g_m}{(C_{\mathrm{gs}}+C_2)}{L}_1---\left(1\right)$

其中，L₂是输入串联电感L₂的电感量，C₂是栅源并联电容C₂的电容量，g_m是输入晶体管M₁的跨导，L₁是源简并电感L₁的电感量。由公式(1)可以看出，通过选择合适大小的源简并电感，可以使输入阻抗的实部达到50欧姆；而通过选择合适的输入串联电感，可以使得输入阻抗的虚部为0，这样就实现了50欧姆输入阻抗匹配。在片螺旋型电感L₂和输入晶体管M₁的栅源电容及栅源并联电容C₂在射频信号频带内谐振，使得该放大器的输入阻抗的虚部为0。在输入晶体管M₁的栅源两端加入电容C₂有两个目的：一是在厂家提供的有限个电感模型的限制下调节输入阻抗，使之匹配到50欧姆；二是增强输入级的负反馈，使整个电路具有比较好的线性度。

在片电感L₃和节点寄生电容在射频信号频带内谐振，给输入级提供负载。相比于电阻负载，使用电感负载可以不降低信号的有效摆幅。

输出级采用了由电阻R₁、R₂和晶体管M₂组成的并联反馈跨阻放大器结构，这种结构可以实现宽带输出阻抗匹配，并且保持较好的输出线性度。本发明采用的输出级是自偏置的，其直流工作点不受输入级的影响，如公式(2)所示：

$I_{\mathrm{do}}=\frac{V_{\mathrm{VDD}}-V_{\mathrm{OUT}}}{R_2}=\frac{1}{2}\·{\mathrm{\μ}}_0{C}_{\mathrm{ox}}\·{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M_2}\·{(V_{\mathrm{OUT}}-V_{\mathrm{TN}})}^2---\left(2\right)$

其中，I_do是流过M₂的电流，μ₀是M₂的电子迁移率，C_ox是M₂的单位面积栅电容，

是M₂的宽长比，V_TN是M₂的阈值电压。由小信号等效电路可以推导出输出级的环路增益：

$A_{\mathrm{vo}}=\frac{v_{\mathrm{out}}}{v_{\mathrm{ino}}}\frac{R_L-g_{m2}{R}_1{R}_L}{R_L+R_1}---\left(3\right)$

其中，g_m2是晶体管M₂的跨导，R_L＝r_o//R₂//R_next，r_o为M₂的输出阻抗，R_next为后级模块的输入阻抗。

输出级的输入阻抗可以表示为：

$R_{\mathrm{mo}}=\frac{R_1}{1-A_v}---\left(4\right)$

如果负载调谐电感L₃和节点寄生电容在射频信号频带内谐振，其谐振时的阻抗为R_Ld，则整个低噪声放大器的电压增益可以表示为：

                             G_V＝g_m·(R_ino//R_Ld)·A_Vo           (5)

输出级的输出阻抗为：

$R_{\mathrm{out}}=\frac{R_1+R_{\mathrm{Ld}}}{1+g_{m2}{R}_{\mathrm{Ld}}}//R_2//r_o---\left(6\right)$

晶体管M₂的直流工作点对低噪声放大器的线性度有很大的影响，在输出级偏置电流为I_do，后级模块的输入阻抗为R_next时，该低噪声放大器的最大输出电压为：

$V_{O\max }=I_{\mathrm{do}}\·\frac{R_1+R_{\mathrm{Ld}}}{1+g_{m2}{R}_{\mathrm{Ld}}}//R_2//R_{\mathrm{next}}---\left(7\right)$

而输出1dB压缩点OP_1dB与V_Omax之间的关系为：

${\mathrm{OP}}_{1\mathrm{dB}}=10\log \frac{{V_{O\max }}^2/100}{1\mathrm{mW}}---\left(8\right)$

衡量线性度的另一个指标，三阶交调点，与输出晶体管M₂的工作状态有关。为了得到较高的三阶交调点，晶体管M₂必须工作于较深的过驱动状态。由此可见，输出级各元件的取值必须在功耗、输出阻抗匹配、功率增益和线性度之间取得一种折衷。

本发明提出的在片阻抗匹配的低压高线性度射频放大器可以被用来作为接收机的射频低噪声放大器和发射机的前置放大器。在低噪声放大器应用中，要求射频放大器给小输入射频信号提供一定的增益，同时要保证引入尽可能小的噪声。由于输入晶体管M₁对整个电路的噪声性能有着决定性的影响，必须仔细设计M₁的尺寸。根据功耗受限情况下的噪声优化方法，输入晶体管M₁应该使用工艺允许的最小沟道长度，其宽度应满足公式(9)：

$W_{\mathrm{optP}}=\frac{3}{2}\frac{1}{\mathrm{\ωL}{C}_{\mathrm{ox}}{R}_s{Q}_{\mathrm{sP}}}\≈\frac{1}{3\mathrm{\ωL}{C}_{\mathrm{ox}}{R}_s}---\left(9\right)$

其中，ω是电路的工作频率，L是工艺允许的最小沟道长度，R_s是源阻抗(一般情况下为50欧姆)，C_ox是单位面积栅电容，Q_sP是栅源电容C_gs的函数(在现代CMOS工艺条件下，其值约为4.5)。

本发明在输入级插入了一个与M₁级联的共栅晶体管，这样可以压缩Miller电容对M₁的影响，它的尺寸与M₁的尺寸保持相同，其栅极直接接到电源节点。另外，还实现了高增益模式选择和低增益模式选择两种功能，这是通过引入控制开关管来实现的。

前置放大器用来驱动离片的功率放大器。参照目前商用的单片功率放大器对前者放大器驱动能力的要求，并保留一定的设计余量，将前者放大器的最大输出功率设计为1.5dBm。

由于前置放大器的输入信号能量较高，要求输入级具有较高的线性度。相比于低噪声放大器，本发明采取了三种措施来提高前置放大器输入级的线性度。一种措施是输入级没有使用级联晶体管；另一种措施是使晶体管M₁工作于过驱动状态(V_GSM1＝0.8V)；第三种措施是增加输入级的负反馈，这是通过增大源简并电感的电感量和在M₁栅源两端引入并联电容C₂来实现的。

该前置放大器的输出级也采用了自偏置的并联反馈跨阻放大器结构，这点也与低噪声放大器相同。但是，前置放大器要求输出1.5dBm的功率给50欧姆的负载，输出级的偏置电流必须很大，这就决定了电阻R₂的阻值不能很大，低阻值的R_o将使得该前置放大器的增益不可能很高。为了保证前置放大器有较高的增益，本发明在输出级插入了在片LC谐振回路(在片电感L₄与输出节点的寄生电容在射频信号频带内谐振，提供较大的负载阻抗)。该输出级的偏置电流设计为16.5mA，输出节点的直流电压约为电源电压的一半。

为了避免封装的影响，低噪声放大器芯片被直接键合在镀金的印刷电路板(PCB)上。除了射频输入端和射频输出端加了隔直电容，以及电源线上加入了滤波电容外，低噪声放大器不需要其它的离片元件。隔直电容和滤波电容都是表面贴封元件，可以减少寄生效应。射频输入端和射频输出端通过SMA接头、同轴电缆与测试仪器相连。其测试结果如表1所示。

                    表1低噪声放大器的测量结果

测量参数	高增益模式	低增益模式
			S11	＜-10dB	N/A
S22	＜-11dB	N/A
			功率增益	12dB(2.4GHz)	-11.5dB
噪声系数	4.0dB(2.4GHz)	11.6dB
			输入1dB压缩电	-13dBm	N/A
输入三阶交调点	-2dBm	N/A
			电源电压	1.8V	1.8V
消耗的电流	7.94mA	～0
			工艺	0.18um CMOS
芯片面积	970μm×880μm

前置放大器芯片也被直接键合在镀金的印刷电路板(PCB)上，它的射频输入端和射频输出端加了隔直电容，电源线上也加入了滤波电容，源简并电感由键合线来形成，而输入串联电感则由键合线电感和表面贴封的3.5nH离片电感组成。射频输入端和射频输出端通过SMA接头、同轴电缆与测试仪器相连。其测试结果如表2所示。

              表2前置放大器的测量结果

最大输出功率(输出1dB压缩点)	2.3dBm
		功率增益	18.8dB
噪声系数	2.8dB
		输出三阶交调点	13dBm
S11	-0.98dB

S22	-3.3dB
		功耗	20.2mA X 1.8V
工艺	0.18um CMOS
		面积	940μm×570μm

从以上测试结果可以看出，本发明所提出的射频放大器既可以被用于接收机系统中作为低噪声放大器，也可以用于发射机系统中作为前置放大器，这些射频放大器都具有低压、高线性度等特点，并且都实现了在片输入\输出阻抗匹配。

Claims (1)

1、一种在片阻抗匹配的低压高线性度射频放大器，其特征在于该放大器包括输入级、输出级以及输入级和输出级之间的隔直电容(C₁)，其中的输入级包括：

(1)用于为信号放大器的输入端提供50欧姆输入阻抗的阻抗匹配电路，由共源输入晶体管(M₁)、源简并电感(L₁)、输入串联电感(L₂)以及栅源串联电容(C₂)组成，共源输入晶体管(M₁)的栅极同时与输入串联电感(L₂)和栅源串联电容(C₂)一端相连，其源极同时与栅源串联电容(C₂)的另一端和源简并电感(L₁)一端相连，其漏极同时与负载调谐电感(L₃)的一端和隔直电容(C₁)的一端相连，其中的共源输入晶体管(M₁)同时对输入信号进行放大；

(2)用于为共源输入晶体管(M₁)提供负载的负载调谐回路，由负载调谐电感(L₃)和节点寄生电容组成；

(3)用于为共源输入晶体管(M₁)提供偏置的电阻(R₃)，电阻(R₃)的一端与偏置电压电源(VB)相连，其另一端与共源输入晶体管(M₁)的栅极相连；

其中的输出级包括：

(4)用于为信号放大器的输出端提供50欧姆输出阻抗的阻抗匹配电路，由并联反馈电阻(R₁)、负载电阻(R₂)和共源输出晶体管(M₂)组成，共源输出晶体管(M₂)的栅极同时与隔直电容(C₁)的一端和并联反馈电阻(R₁)的一端相连，其源极接地，其漏极同时与并联反馈电阻(R₁)、负载电阻(R₂)和输出端相连，其中的共源输出晶体管(M₂)同时对输出信号进行放大。

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