一种自偏置的超宽带低功耗低噪声放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于射频集成电路领域，涉及一种低噪声放大器（Low Noise Amplifier, 以下简称LNA)，尤其是无独立偏置电路、单电源供电的超宽带低功耗LNA。
【背景技术】
[0002] 在成本、集成度和功耗等方面因素的推动下CMOS技术已经获得了前所未有的发 展。CMOS晶体管截止频率的不断提升增加了几 GHz以下频段集成电路设计的自由度。随着 多媒体技术和通信技术的发展，处于接收机前端的LNA被希望能够工作于数百MHz至几 GHz 以适应例如无线局域网（5GHz (802. Ila)和2. 4GHz (802. llb/g))等领域的应用需求。这种 需求引发了集成电路设计者们对超宽带LNA芯片设计技术更多的关注和研宄。超宽带LNA 电路的实现通常有三种方式：第一种是采用如文章 "A Monolithic DC-70-GHz Broadband Distributed Amplifier Using 9〇-nm CMOS Process"所报道的分布式结构拓展带宽；第 二种是利用如文章 "Bandwidth extension techniques for CMOS amplifiers" 所报道的 电感峰化技术；第三种是利用如文章"Wide-Band CMOS Low-Noise Amplifier Exploiting Thermal Noise Canceling"所报道的电阻负反馈噪声抵消技术。然而，第一种实现方式会 占用很大的芯片面积，并且功耗大、噪声性能差；第二种方式不易实现宽带输入匹配；第三 种方式很难实现高的平坦增益。此外，第一和第二种方式通常不能通过自偏置的方法实现， 使设计变得复杂。综上所述，超宽带LNA的实现必须兼顾电路的功耗、匹配和设计的复杂 度。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种自偏置的超宽带低功耗LNA电路，本发明的 LNA采用两级级联的拓扑结构，第一级为低频增益放大级，它采用了有源器件做负载和电阻 负反馈技术；第二级为高频增益放大级，它采用Cascode结构作为基本放大单元、电感峰化 网络作为负载。本发明弥补了现有技术在CMOS工艺下GHz超宽带LNA电路设计方面的困 难和不足。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明一种自偏置的超宽带低功耗低噪声放大器包括键合 线电感、低频增益放大电路和高频增益放大电路；键合线电感的一端输入外部信号，其另 一端连接低频增益放大电路的输入端，信号经低频放大后输出至高频增益放大电路的输入 端，低频放大后的信号在高频增益放大电路进行高频放大后输出。
[0005] 其中，低频增益放大电路包括第一 NMOS晶体管Mp PMOS晶体管P1、第一螺旋电感 L1、第二螺旋电感L2和第一电阻R i，PMOS晶体管P1的栅极、第一电阻R i的一端和第一螺旋 电感L1的一端连结形成第一节点T i，PMOS晶体管P1的漏极、第一电阻R 另一端和第一 NMOS晶体管M1的漏极连结形成第二节点T2，键合线电感B1的另一端连接到第一节点T i，第 一螺旋电感L1的另一端连接到第一 NMOS晶体管M i的栅极，第一 NMOS晶体管M 源极经 第二螺旋电感L2接地，PMOS晶体管P ^勺源极连接电源V DC，第二节点T2输出低频放大后的 信号。
[0006] 其中，高频增益放大电路包括第二NMOS晶体管M2、第三NMOS晶体管M 3、第三螺旋 电感L3、带中心抽头的第四螺旋电感L4和第二电阻R 2;第三螺旋电感L 3的一端连接低频增 益放大电路的输出端，另一端连接到第二NMOS晶体管仏的栅极；第二NMOS晶体管M 2的源 极接地，漏极接到第三NMOS晶体管％的源极；第三NMOS晶体管M 3的漏极接到带中心抽头 的第四螺旋电感L4的一端，带中心抽头的第四螺旋电感L 4的另一端连接到第二电阻1?2的 一端，第二电阻馬的另一端与第三NMOS晶体管^的栅极共同连接到电源V DJ:，带中心抽 头的第四螺旋电感L4的中心抽头输出高频放大后的信号。
[0007] 与现有技术相比，本发明的优点及显著效果总结如下：
[0008] 1)本发明的电路内容实现了自偏置，因此不需要另外为电路设计偏置电路，一方 面降低了设计复杂度，另一方面回避了偏置电路设计时带来的其他问题。
[0009] 2)本发明的电路包含且仅包含一个低频放大级和一个高频放大级，既保证了宽带 性能的实现又约束了电路的总功率耗散。
[0010] 3)本发明的LNA低频放大级与高频放大级直接相连而不使用隔直电容，其低频放 大级利用PMOS晶体管做NMOS晶体管Ml的有源负载保证LNA的低频增益，并利用一个电阻 将第一级电路的输出信号反馈到输入端，既实现了第一级电路的自偏置又为第二级电路提 供了偏置；低频放大级的输出经过一个螺旋电感直接接到高频放大级的Cascode共源晶体 管的栅极，Cascode共栅晶体管的漏极接电感峰化网络，该网络由一个电阻和带中心抽头的 螺旋电感构成，利用这种结构可以有效拓展LNA的高频增益带宽。
[0011] 4)充分考虑到电路封装时键合线带来的影响，利用键合线的寄生电感能够优化 LNA的宽带输入功率匹配和高频噪声性能。利用LNA输入端的键合线电感、两个螺旋电感能 够实现电路的超宽带功率和噪声匹配。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明的自偏置超宽带低功耗LNA的拓扑结构图；
[0013] 图2是本发明的自偏置超宽带低功耗LNA的实现原理图；
[0014] 图3是本发明的自偏置超宽带低功耗LNA的输入小信号电路简化模型；
[0015] 图4是本发明的自偏置超宽带低功耗LNA实施例的增益、匹配与噪声系数仿真曲 线；
[0016] 图5是本发明的自偏置超宽带低功耗LNA实施例的稳定因子仿真曲线。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0018] 本发明的LNA采用图1所示的两级级联的拓扑结构。第一级为低频增益放大级，它 采用了有源器件做负载和电阻负反馈技术；第二级为高频增益放大级，它采用Cascode结 构作为基本放大单元、电感峰化网络作为负载。
[0019] 参看图2,本发明利用三个NMOS晶体管、一个PMOS晶体管、五个无源电感、两个电 阻器实现自偏置超宽带低功耗LNA的电路设计。其中，NMOS晶体管MpPMOS晶体管P 1、片上 螺旋电感U、L2和电阻R i组成LNA的第一级；NMOS晶体管M 2、M3、片上螺旋电感L3、带中心 抽头的片上螺旋电感L4和电阻R 2组成LNA的第二级。这些基本器件的具体连接关系为：
[0020] 射频信号从键合线电感B1的一端输入，另一端连接到节点第一节点T i，1\由PMOS 晶体管P1的栅极、第一电阻R -端和第一螺旋电感L 一端连结形成，第一电阻R i的另 一端连接到第二节点T2,1~2由PMOS晶体管P i的漏极、第一 NMOS晶体管M 漏极和第三螺 旋电感1^的一端连结形成，第一螺旋电感L i的另一端连接到第一 NMOS晶体管M ^勺栅极， M1的源极连接到第二螺旋电感L 2的一端，L 2的另一端接地，第三螺旋电感L 3的另一端连接 到第二NMOS晶体管M2的栅极，M 2的源极接地、漏极接到第三NMOS晶体管M 3的源极，M 3的 漏极接到带中心抽头的第四螺旋电感1^4的一端，1^4的另一端接到第二电阻1? 2的一端，1?2的 另一端、第三NMOS晶体管％的栅极和PMOS晶体管P ^勺源极共同连接到电源V DJ:，信号从 带中;L·、抽头的弟四螺旋电感L4的中 ;L、抽头输出。
[0021] 图2中的NMOS和PMOS晶体管均采用CMOS工艺所支持的射频管，栅长选工艺能 够支持的最小尺寸；电感B1为键合线的寄生电感，电感L L 3采用普通的片上平面螺旋结 构，电感L4采用带中心抽头的片上平面螺旋结构；电阻Ri~R2为多晶硅电阻。表1列出了 图2对应实施例所采用器件的参数值。
[0022] 表1.自偏置超宽带低功耗LNA实施例器件参数
【主权项】
1. 一种自偏置的超宽带低功耗低噪声放大器，其特征在于：所述超宽带低功耗低噪声 放大器包括键合线电感、低频增益放大电路和高频增益放大电路；键合线电感的一端输入 外部信号，其另一端连接低频增益放大电路的输入端，信号经低频放大后输出至高频增益 放大电路的输入端，低频放大后的信号在高频增益放大电路进行高频放大后输出。
2. 根据权利要求1所述的一种自偏置的超宽带低功耗低噪声放大器，其特征在于：所 述的低频增益放大电路包括第一NMOS晶体管（M1)、PMOS晶体管（P1)、第一螺旋电感（L1)、 第二螺旋电感（L2)和第一电阻（R1)JMOS晶体管（P1)的栅极、第一电阻（R1)的一端和第一 螺旋电感（L1)的一端连结形成第一节点（T1),PMOS晶体管（P1)的漏极、第一电阻（R1)的 另一端和第一NMOS晶体管（M1)的漏极连结形成第二节点（T2)，键合线电感（B1)的另一端 连接到第一节点（T1),第一螺旋电感（L1)的另一端连接到第一NMOS晶体管（M1)的栅极，第 一NMOS晶体管（M1)的源极经第二螺旋电感（L2)接地，PMOS晶体管（P1)的源极连接电源 (V，第二节点（T2)输出低频放大后的信号。
3. 根据权利要求1或2所述的一种自偏置的超宽带低功耗低噪声放大器，其特征在于： 所述的高频增益放大电路包括第二NMOS晶体管（M2)、第三NMOS晶体管（M3)、第三螺旋电感 (L3)、带中心抽头的第四螺旋电感（L4)和第二电阻（R2);第三螺旋电感（L3)的一端连接低 频增益放大电路的输出端，另一端连接到第二NMOS晶体管（M2)的栅极；第二NMOS晶体管 (M2)的源极接地，漏极接到第三NMOS晶体管（M3)的源极；第三NMOS晶体管（M3)的漏极接 到带中心抽头的第四螺旋电感（L4)的一端，带中心抽头的第四螺旋电感（L4)的另一端连接 到第二电阻（R2)的一端，第二电阻（R2)的另一端与第三NMOS晶体管（M3)的栅极共同连接 到电源（VD。）上，带中心抽头的第四螺旋电感（L4)的中心抽头输出高频放大后的信号。
【专利摘要】一种自偏置的超宽带低功耗低噪声放大器(LNA)，属于射频集成电路领域。本发明的LNA包含且仅包含一个低频放大级和一个高频放大级。其低频放大级利用有源负载结合电阻负反馈技术同时为本级和后级电路提供偏置，实现了LNA整体电路的自偏置，既简化了电路设计又抑制了电路功率消耗；根据电路本身的结构特点，充分利用键合线的寄生电感优化了电路的高频匹配和噪声性能；高频放大级利用电感峰化技术拓展了LNA的工作频率范围。实施例的LNA可稳定的工作在0.2～6GHz频率范围内，并保持16±1.3dB的增益、<2.8dB的噪声系数和良好的输入匹配。本发明可以用于数字广播、无线局域网、超短波雷达等应用的接收机前端芯片中。
【IPC分类】H03G3-20, H03F1-42, H03F1-26
【公开号】CN104779919
【申请号】CN201510220400
【发明人】杨格亮, 许仕龙, 杜克明, 王明, 魏恒, 刘长龙, 吕杰
【申请人】中国电子科技集团公司第五十四研究所
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年5月4日