CN1650531A - 接受机 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种接收机，当使用CMOS工艺或MOS工艺在半导体衬底上一体形成时，可以降低所产生的低频噪声。构成FM接收机的高频放大电路(11)、混频电路(12)、本机振荡器(13)、中频滤波器(14、16)、中频放大器(15)、限幅电路(17)、FM检波电路(18)和立体声解调电路(19)作为单芯片元件(10)形成。该单芯片元件(10)使用CMOS工艺或MOS工艺在半导体衬底上形成，使用p沟道FET形成混频电路(12)、中频滤波器(14、16)、中频放大器(15)和本机振荡器(13)所包含的放大元件。

Description

接受机
技术领域
本发明涉及对接收的信号进行频率变换的接收机。
背景技术
一般的采用超外差方式的接收机在将经天线接收的调制信号高频放大之后，再使用混频电路进行频率变换，在变换成具有规定的频率的中频信号之后再进行解调处理。
特别在最近，正在进行利用CMOS工艺或MOS工艺在半导体衬底上一体形成包含高频元件的模拟电路的技术的研究，部分装置已经实用化。通过利用CMOS工艺或MOS工艺在1个芯片上形成各种电路，可以使整个装置小型化，或降低成本等，因此今后可以考虑扩大在1个芯片上形成的装置的范围。
若使用CMOS工艺或MOS工艺在1个芯片上形成先有的采用超外差方式的接受机的各元件，则存在称之为1/f噪声的低频噪声的问题。一般，与双极性晶体管相比，MOS型FET具有1/f噪声大的特征，若使用CMOS工艺或MOS工艺在1个芯片上型形成构成接受机的各元件，则作为包含在其中的放大元件的FET就会变成1/f的噪声源。而且，当使用混频电路将高频调制信号变换成频率较低的中频信号时，因为在该中频信号中，1/f噪声成分所占的比例高，所以，会因S/N(信噪比)的下降而使接收质量变差。
发明内容
本发明是鉴于上述各点而创作的，其目的在于提供一种接收机，当使用CMOS工艺或MOS工艺在半导体衬底上一体形成时，可以降低所产生的低频噪声。
为了解决上述问题，本发明的接收机具有高频放大电路、本机振荡器、混频电路、中频放大电路和中频滤波器。高频放大电路放大经天线接受的调制信号。本机振荡器产生规定的本振信号。混频电路使高频放大电路放大的调制信号和本机振荡器输出的本振信号混频后输出。中频放大电路放大混频电路输出的中频信号。中频滤波器有选择地输出中频信号。而且，在使用CMOS工艺或MOS工艺在半导体衬底上至少一体形成混频电路、中频放大电路、中频滤波器和本机振荡器的同时，使用p沟道FET形成它们所包含的放大元件。通过使用移动度小的p沟道FET作为放大元件，可以减小1/f噪声，所以，即使在使用CMOS工艺或MOS工艺在半导体衬底上至少一体形成混频电路、中频放大电路、中频滤波器和本机振荡器的情况下，也可以减小由它们产生的1/f噪声。
此外，上述中频滤波器最好将调制信号和本振信号的差频信号作为中频信号抽出。当使用差频信号时，因频率变换后的中频信号的频率比调制信号的频率低，故使用CMOS工艺或MOS工艺形成的放大元件中的1/f噪声的影响很明显。因此，这时，通过利用p沟道的FET形成变成噪声源的放大元件，大大增加噪声降低的效果。
此外，上述本振信号的频率和调制信号的载波频率的差最好比调制信号的占有频带宽度小。特别，当未进行这样的调制信号和本振信号的频率设定时，因将直流附近的区域作为信号频带使用，故1/f噪声的影响最大，因此，这时，通过利用p沟道的FET形成变成噪声源的放大元件，使噪声降低的效果最大。
此外，上述混频电路和中频放大器及中频滤波器级联连接，当设计作为它们所包含的放大元件的多级连接的FET时，最好将前一级的FET的栅极长度L和宽度W设定为比后一级的FET的栅极长度L和宽度W大的值。众所周知，一般FET产生的1/f噪声与栅极长度L和宽度W的倒数成比例增大。因此，通过将栅极长度L和宽度W设定得大一些，可以降低该FET产生的1/f噪声。特别，当考虑将多级连接的FET作为放大元件时，因前一级FET产生的1/f噪声被后一级FET放大，故为了降低整体低频噪声，最好降低前一级FET产生的1/f噪声。此外，因后级FET产生的1/f噪声被再后一级FET放大的程度小，故可以认为其对整体低频噪声降低的贡献比例小。因此，通过将该后级的FET的栅极长度L和宽度W设定为比前一级的FET小的值，可以减小FET的占有面积，可以实现芯片的小型化从而降低成本。
此外，当使上述混频电路、中频放大器和中频滤波器级联连接，并着眼于作为它们之中的放大元件的多级连接的任意位置的上述FET时，最好将各FET的栅极长度L和宽度W设定成使该FET产生的噪声成分比输入信号包含的噪声成分小。通过使任何一个FET产生的噪声成分比该FET的输入信号中的噪声成分小，可以降低整体低频噪声。
此外，最好在上述半导体衬底上形成N阱，再在该N阱上形成至少包含混频电路、中频放大电路、中频滤波器和本机振荡器的构成元件。通过使这些构成元件在N阱上形成，可以防止经在N阱及其下面的半导体衬底之间形成的pn界面而流过噪声电流，可以防止N阱上的电路产生的噪声经半导体衬底流入其它的元件中。
此外，在上述半导体衬底上，最好在构成元件的周围形成保护圈。由此，可以进一步有效地防止N阱上形成的电路产生的噪声经半导体衬底流入其它的元件中。
此外，上述保护圈最好在半导体衬底的表面之下比N阱更深的位置上形成。通过在深部位置形成保护圈，可以除去绕过该保护圈而进入低频区域的1/f噪声。
附图的简单说明
图1是表示一实施形态的FM接收机的构成的图。
图2是表示使用CMOS工艺或MOS工艺制造的FET的噪声特性的图。
图3是表示多级连接的放大元件的概略图。
图4是表示FET的栅极宽度W和栅极长度L的图。
图5是表示在N阱上形成构成元件时的概略结构的平面图。
图6是图5所示的结构的截面图。
发明的具体实施方式
下面，详细说明适用本发明的一实施形态的接收机。
图1是表示一实施形态的FM接收机的构成的图。图1所示的FM接收机的构成包括作为单芯片元件10形成的高频放大电路11、混频电路12、本机振荡器13、中频滤波器14、16、中频放大电路15、限幅电路17、FM检波电路18和立体声解调电路19。
利用高频放大电路11将由天线20接收的FM调制信号放大后，再与本机振荡器13输出的本振信号混频，由此，进行高频信号到中频信号的变换。例如，设从高频放大电路11输出的调制信号的载波频率为f1，本机振荡器13输出的本振信号的频率为f2，则从混频电路12输出具有f1-f2的频率的中频信号。
中频滤波器14、16设在中频放大电路15的前一级和后一级，从输入的中频信号中只抽出规定频带的成分。中频放大电路15放大通过中频滤波器14、16的一部分中频信号。
限幅电路17以很高的增益放大输入的中频信号。FM检波电路18对从限幅电路17来的振幅一定的信号进行FM检波处理。立体声解调电路19对从FM检波电路18输出的FM检波后的混频信号进行立体声解调处理，再生成L信号和R信号。
上述本实施形态的单芯片元件10使用CMOS工艺或MOS工艺在半导体衬底上一体形成。在该半导体衬底上，除了只形成图1所示的构成单芯片元件10的各电路之外，还形成各种模拟电路和数字电路。因使用CMOS工艺或MOS工艺容易形成各种CMOS元件，故最好在同一块半导体衬底上形成为了设定例如接收频率而使本机振荡器13的振荡频率可变的频率合成器或显示装置及其控制电路等。
一般，与双极性晶体管相比，利用CMOS工艺或MOS工艺形成的FET具有低频噪声、即1/f噪声大的特征。因此，若使用CMOS工艺或MOS工艺在1个芯片上形成图1所示的单芯片元件10，则作为包含在其中的放大元件的FET便成为1/f噪声源。而且，若使用混频电路12将频率较高的调制信号变换成频率较低的中频信号，则该中频信号中的1/f噪声成分所占的比例高，会使SN比变差从而影响接收质量。
因此，在构成本实施形态的接收机的单芯片元件10中，使用p沟道FET作为至少包含在混频电路12、中频滤波器14、16、中频放大电路15和本机振荡器13中的放大元件。
图2是表示使用CMOS工艺或MOS工艺制造的FET的噪声特性的图。横轴和纵轴分别表示频率和噪声电平。此外，实线所示的特性和虚线所示的特性分别表示p沟道FET的噪声特性和n沟道FET的噪声特性。如图2所示，p沟道FET与n沟道FET相比，低频区域出现的1/f噪声小。这是因为p沟道FET的移动度小的缘故。
因此，因通过使用p沟道FET作为放大元件而可以减小1/f噪声本身，故可以减小1个芯片10中的低频噪声的发生，可以提高整个接收机的SN比并改善基准信号的品质。
此外，当考虑上述1个芯片10所包含的混频电路12直到后级的中频滤波器16(或限幅电路17)时，如果考察这些电路包含的放大倍数大于1的放大元件，则可以将多级放大元件等效地看作是多级连接的。
图3是表示多级连接的放大元件的概略图。如图3所示，n级放大元件30-1、30-2、...30-n形成多级连接。如上所述，各放大元件30-1等由p沟道FET构成。
一般，MOS型FET产生的噪声电压Vn可表示为
Vn＝√((8kT(1+η)/(3gm))+KF/(2fCoxWLK’))Δf)
这里，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，gm是互导，Cox是中间夹有栅极氧化膜的栅极和沟道间的电容量，W是栅极宽度，L是栅极长度，f是频率，Δf是频率F的带宽。KF是噪声参数，其值为10-20～10-25左右。此外，η和K’是规定的参数。
在该式中，右边的第2项表示1/f噪声，与f的倒数成正比，即，频率f越低1/f噪声越大。
此外，由该式可知，1/f噪声与FET的栅极宽度W的倒数或栅极长度L的倒数成正比。图4是表示FET的栅极宽度W和栅极长度L的图，是表示在半导体衬底的表面附近形成的FET整体的平面图。
因此，可知通过将栅极宽度W或栅极长度L设定为较大的值也可以降低1/f噪声。但是，对所有FET而言，若栅极宽度W和栅极长度L大，则各FET的视面积大引起芯片面积的增加，所以，最好只对1/f噪声降低效果大的FET，才将栅极宽度W和栅极长度L设定为规定值。
特别，当考虑将由FET构成的放大元件30-1等变成多级连接时，因前级部分包含的放大元件产生的1/f噪声被后一级的放大元件放大，故为了降低整体的低频噪声，最好降低前级部分包含的放大元件产生的噪声。另一方面，因后级部分包含的放大元件产生的1/f噪声被后一级放大元件放大的程度小，故对降低整体低频噪声的贡献小。因此，通过将构成该后级部分包含的放大元件的FET的栅极长度L和宽度W设定为比前一级的FET的长度和宽度小的值，可以减小FET的占有面积，可以因芯片小型化而降低成本。
或者，当着眼于构成图3所示的任意位置的放大元件的FET时，也可以将构成各放大元件的FET的栅极长度L和宽度W设定成使由该FET产生的噪声成分比该FET的输入信号包含的噪声成分小。通过使构成任何一个放大元件的FET产生的噪声成分都比该FET的输入信号中的噪声成分小，可以降低整体低频噪声。
再有，本发明不限于上述实施形态，在本发明要旨的范围内可以进行种种变形实施。例如，在上述实施形态中，说明了FM接收机，但本发明也可以适用于AM接收机或数据终端装置等各种接收机或发射机或者各种通讯机器。此外，为了进行正交调制，对于具有2个混频电路、1个本机振荡器和1个移相器的接收机等，本发明也可以适用。
此外，在上述实施形态中，特别提到了本振信号的频率和调制信号的载波频率之间的关系，但当它们的频率差比调制信号的占有频带小时，因在混频电路12输出的中频信号中将直流成分附近区域作为信号频带使用，故1/f噪声的影响最大。因此，通过将本发明用于这样设定了的接收机，可以使噪声减小的效果最大。
此外，在上述实施形态中，当在半导体衬底上一体形成至少包括混频电路12、中频放大电路15、中频滤波器14、16和本机振荡器13的构成元件时，通过在N阱上形成这些构成元件，可以防止噪声绕过半导体衬底从这些构成元件进入其它电路。
图5是表示在N阱上形成构成元件时的概略结构的平面图。图6是图5所示的结构的截面图。在图5所示的结构中，当包含在至少包括混频电路12、中频放大电路15、中频滤波器14、16和本机振荡器13的构成元件40中的多级连接的放大元件使用p沟道型FET构成时，该构成元件40在N阱上形成。
因在N阱52和P型半导体衬底50之间形成PN界面，故当N阱52的电位比不对头衬底50高时，从N阱52向半导体衬底50流过的电流被该PN界面截断。因此，可以防止在N阱52上形成的构成元件40中产生的噪声通过半导体衬底50流入其它电路。
此外，如图6所示，在半导体50的表面附近的包围N阱的周围区域形成保护圈54。该保护圈54是将P型半导体衬底50的一部分在N阱区域形成而得到的。因由保护圈54和半导体衬底50形成PNP层，故可以有效防止在N阱52上形成的构成元件40中产生的噪声通过半导体衬底50的表面附近流入其它电路。
特别提一下，该保护圈54的形成最好使其从半导体衬底50到达深层区域，例如，到达比N阱52更深的地方。由此，当在N阱52上形成的构成元件40中产生的噪声绕过保护圈54的下侧(半导体衬底50的内部)流入其它电路时，可以防止更低频成分的噪声进入。
如上所述，若按照本发明，因为通过使用移动度小的p沟道型FET作为放大元件可以减小本身的1/f噪声，所以，即使在利用CMOS工艺或MOS工艺在半导体衬底上至少一体形成混频电路、中频放大电路、中频滤波器和本机振荡器的情况下，也可以降低由它们产生的低频噪声。

Claims (8)

1.一种接收机，其特征在于：具有高频放大电路、本机振荡器、混频电路、中频放大电路和中频滤波器，高频放大电路放大经天线接受的调制信号，本机振荡器产生规定的本振信号，混频电路使上述高频放大电路放大的调制信号和上述本机振荡器输出的本振信号混频后输出，中频放大电路放大上述混频电路输出的中频信号，中频滤波器有选择地输出上述中频信号。
在使用CMOS工艺或MOS工艺在半导体衬底上至少一体形成上述混频电路、上述中频放大电路、上述中频滤波器和上述本机振荡器的同时，使用p沟道FET形成它们所包含的放大元件。
2.权利要求1记载的接收机，其特征在于：上述中频滤波器将上述调制信号和上述本振信号的差频信号作为上述中频信号抽出。
3.权利要求1记载的接收机，其特征在于：上述本振信号的频率和上述调制信号的载波频率的差比上述调制信号的占有频带小。
4.权利要求1记载的接收机，其特征在于：上述混频电路、上述中频放大器和上述中频滤波器级联连接，当设计作为它们所包含的上述放大元件的多级连接的上述FET时，将前一级的上述FET的栅极长度L和宽度W设定为比后一级的上述FET的栅极长度L和宽度W大的值。
5.权利要求1记载的接收机，其特征在于：当使上述混频电路、上述中频放大器和上述中频滤波器级联连接，并着眼于作为它们之中的上述放大元件的多级连接的任意位置的上述FET时，将上述各FET的栅极长度L和宽度W设定成使该FET产生的噪声成分比输入信号包含的噪声成分小。
6.权利要求1记载的接收机，其特征在于：在上述半导体衬底上形成N阱，再在该N阱上形成至少包含上述混频电路、上述中频放大电路、上述中频滤波器和上述本机振荡器的构成元件。
7.权利要求6记载的接收机，其特征在于：在上述半导体衬底上，在构成元件的周围形成保护圈。
8.权利要求7记载的接收机，其特征在于：上述保护圈在上述半导体衬底的表面之下比上述N阱深的位置上形成。
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