[發(fā)明專利]一種超低功耗低噪聲放大器結(jié)構(gòu)及其制備方法

無效

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• 申請日: 2010-05-17
• 公開（公告）號: CN101820251A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李東畔;劉軍華;李琛;廖懷林;黃如
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: H03F1/26
• 分類號: H03F1/26
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11360
• 代理人: 蘇愛華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于射頻集成電路領(lǐng)域，具體為一種超低功耗低噪聲放大器結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)電路。

背景技術(shù)

快速增長的無線通信市場使得無線通信技術(shù)向著低成本、低功耗、高集成度的方向發(fā)展。功耗問題尤為突出，在進(jìn)入0.13μm、90nm技術(shù)節(jié)點后，單位面積上的功耗密度急劇上升。因此，功耗已經(jīng)成為集成電路中繼傳統(tǒng)兩個要素——速度、面積后的又一個關(guān)鍵要素。

在無線應(yīng)用中，便攜式設(shè)備占據(jù)著市場的很大份額。便攜式設(shè)備的特殊性對集成電路的功耗提出了新的要求，尤其是在醫(yī)學(xué)，自動控制應(yīng)用領(lǐng)域，電池使用壽命成為評估產(chǎn)品性能的一個重要指標(biāo)。必須在設(shè)計時就考慮到產(chǎn)品的功耗問題，進(jìn)行從系統(tǒng)架構(gòu)到底層電路設(shè)計的一系列優(yōu)化以降低電路功耗，延長使用壽命。

低噪聲放大器(LNA)是無線通信系統(tǒng)射頻接收機(jī)前端的關(guān)鍵模塊，在接收并放大信號的過程中起著關(guān)鍵性的作用，其增益、噪聲、線性度等都將直接影響著整個接收機(jī)的性能。因此，在低功耗應(yīng)用下的LNA應(yīng)具備的性能是：在低功耗的前提下能提供足夠高的增益，以克服后繼級的噪聲干擾；優(yōu)良的噪聲性能以減小對系統(tǒng)動態(tài)范圍的影響；較高的反向隔離度，防止信號的泄漏并增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；良好的線性度以抑制干擾和防止靈敏度下降；良好的輸入匹配以利于信號的有效傳輸。在實際設(shè)計中，一股采用折衷方案，綜合考慮各項因素，兼顧各項指標(biāo)的均衡。

傳統(tǒng)的單端輸入低噪聲放大電路通常采用共源或者共源共柵結(jié)構(gòu)來獲得較高的增益。共源放大器輸入阻抗匹配容易實現(xiàn)，具有較好的反相隔離度和穩(wěn)定性，但噪聲系數(shù)較大；共源共柵放大器能夠提供一個較高的增益和反相(反相應(yīng)為反向)隔離度，但其增益和噪聲系數(shù)受到共源級的漏級襯底寄生效應(yīng)的嚴(yán)重影響。由于傳統(tǒng)低噪聲放大器的設(shè)計必須在功耗，噪聲，增益方面做權(quán)衡，而這種權(quán)衡的空間由于結(jié)構(gòu)限制而相對較小，因此，根據(jù)功耗約束噪聲優(yōu)化規(guī)則，傳統(tǒng)低噪聲放大器的功耗不得不設(shè)定在較高的范圍內(nèi)以滿足低噪聲的需要，因此有必要提出新的結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步優(yōu)化電路性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明提供的是一種放大器電流復(fù)用結(jié)構(gòu)及電路實現(xiàn)方法，本發(fā)明適用于超低功耗無線通訊領(lǐng)域。

針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)低噪聲放大器因結(jié)構(gòu)限制無法優(yōu)化放大器性能的問題，本方法采用新的電流復(fù)用基礎(chǔ)上的上下級聯(lián)的兩級放大器結(jié)構(gòu)。由于采用了電流復(fù)用方法，使兩級共用一個電流，因此在相同的功耗下能夠提供更大的增益，而增益的提高同時意味著噪聲的減小。在單級電路結(jié)構(gòu)中則采取簡單共源共柵結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高增益。

本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，詳細(xì)描述如下：

1.使用上下級聯(lián)的兩級共源放大結(jié)構(gòu)；在兩級共源放大結(jié)構(gòu)的連接點使用電容。

2.第一級共源放大結(jié)構(gòu)由NMOS管M1和PMOS管M2構(gòu)成，第二級共源放大結(jié)構(gòu)由NMOS管M3和PMOS管M4構(gòu)成，NMOS管M1的源端接芯片封裝地端，使用PMOS管M4負(fù)載。

3.電路結(jié)構(gòu)的輸入端使用片外電感，片外電感的值為20nH～300nH。

4.用邦定線作為NMOS管M1的源簡并電感；邦定到片外電感的邦定線長度為1μm～10μm；邦定到地的邦定線長度為1μm～8μm。

5.兩級共源放大結(jié)構(gòu)的兩個NMOS管M1、M3分別采用自偏置結(jié)構(gòu)。

6.在兩級共源放大結(jié)構(gòu)之間增加一個接地的電容作為交流虛地點。

7.連接兩級共源放大結(jié)構(gòu)的電容的值為200fF～2pF。

本發(fā)明還提供一種制備該電路結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：

1.在PCB上焊接NMOS管M1、M3，PMOS管M2、M4，其中M1和M2組成第一級共源放大結(jié)構(gòu)，M3和M4組成第二級共源放大結(jié)構(gòu)；

2.在兩級共源放大結(jié)構(gòu)之間放置交流耦合電容C2；

3.在整個版圖外緣放置一圈G-D-G-D-G保護(hù)環(huán)；

4.封裝邦線；

5.焊接片外電感。

6.在兩級共源放大結(jié)構(gòu)之間還可以放置一個接地的電容。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)電路結(jié)構(gòu)簡單，本發(fā)明基本單元為傳統(tǒng)的共源結(jié)構(gòu)，上下級聯(lián)的兩層結(jié)構(gòu)完全一樣，電路原理清晰明了。

(2)如圖1所示，在上下兩級的連接點P處使用了大電容以減小上下兩級電路之間的干擾。

(3)輸入端使用片外電感，Q值可以很高，提高輸入匹配度和穩(wěn)定性，有效降低放大器的噪聲，此外在一級單元電路中使用PMOS負(fù)載，省掉了放大器負(fù)載電感，因此大大節(jié)省了芯片面積。

(4)功耗低，由于采用上下級聯(lián)的兩級電流復(fù)用結(jié)構(gòu)，兩級共用電流，因此可以在較低的功耗下實現(xiàn)更大的增益。