CN102130656B - 新型全集成双频段低噪声放大器集成电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可同时应用于高级国际移动通信(AdvancedInternational Mobile Communications，IMT-Advanced)和超宽带(Ultra-WideBand，UWB)通信的多频段、多标准通信***的一种双频段低噪声放大器集成电路结构，涉及集成电路领域，和已经公开发表的其它结构相比，本发明输入端在两个频段内分别采用窄带和宽带输入匹配网络，实现了不同带宽的频段(3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz)内50Ω阻抗匹配，两个并联谐振网络作为负载，利用外部控制信号控制谐振频率，满足双频段的不同增益要求，并扩展了电路的带宽，提高了电路在整个工作带宽的增益平坦度，实现了数字信号控制频段切换，相比现有技术，本发明的噪声系数、增益、输入输出匹配的技术指标都有大的提高，本发明采用SMIC公司0.13微米的混合信号CMOS工艺进行了设计验证，结果证明了本发明结构的可行性。

Description

新型全集成双频段低噪声放大器集成电路结构

技术领域

本发明涉及一种全集成双频段低噪声放大器集成电路芯片，特别是可同时应用于高级国际移动通信(Advanced International Mobile Communications，IMT-Advanced)和超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)通信的多频段、多标准通信***的一种双频段低噪声放大器集成电路芯片。

背景技术

目前，移动通信发展的一个重要趋势是单个通信终端可以兼容多种通信标准(Agnelli F.，Albasini G.，Bietti I.，Gnudi A.，et al，“Wirelessmulti-standard terminals system analysis and design of a reconfigurableRF front-end”，Circuits and Systems Magazine，IEEE Volume 6，Issue 1，First Quarter 2006 Page(s)：38-59，参考文献1)，比如目前广泛应用的第三代(3G)蜂窝移动通信***与蓝牙(Bluetooth)或无线局域网(Wireless LocalArea Networks，WLAN)等无线通信***的集成(Changjae Kim，Young-Kyun Jang，Hyung-Joun Yoo，“Design of CMOS front-end for multi-standard receiver(WCDMA and 802.11a)，Computational Electromagnetics and ItsApplications”，2004.Proceedings.ICCEA 2004.2004 3rd InternationalConference on 1-4 Nov.2004 Page(s)：340-343，参考文献2)就是典型的案例。

超宽带(Ultra-Wide Band)自2002年2月14日FCC(美国联邦通信委员会)批准民用以来，已经得到了快速地发展，具有广阔的市场应用前景。IMT-Advanced***是继第三代移动通信***IMT-2000之后的新一代移动通信***。在这两种通信***中，接收机都使用了低噪声放大器(LNA)模块。实现一款高性能的双频段(Dual-band)兼容的接收芯片，对于这两种通信模式集成的***，将可以显著降低多芯片组装成本，从而拓宽产品的应用范围。

双频段低噪声放大器主要有两种结构(Naveed Ahsan，Aziz Ouachal，JerzyDabrowski，et al.“Dual-band tunable LNA for flexible RF Front End”，Proceedings of International Conference on Applied Sciences & Technology，Islamabad，Pakistan，2007 Page(s)：19-22，参考文献3)：第一种结构是设计两个单独的LNA并联；另外一种结构是通过低噪声放大器内部使能端来控制其分别工作在两个频段。

下面分析这两种结构的特点。

(1)两个单独的LNA并联结构：两个单独的LNA分别工作在两个不同的频段，然后通过开关来选择，这种结构的优点是两个频段的信号不会相互影响，而且单独的LNA的性能可以设计的比较好，然而功耗和芯片面积较大。

(2)使用内部使能端控制的低噪声放大器：和第一种结构相比，可以节省10％～50％的面积，所以成本下降。使用内部使能端控制的低噪声放大器又可以分为两种形式：一种形式是单输入多输出低噪声放大器结构，即采用一个共同的输入端，但针对不同的工作频段，有多个输出端。另外一种更广泛应用的是多输入单输出低噪声放大器结构，即有一个共同的输出端，但针对不同的工作频段，有多个输入端。相当于里面有部分电路是公用的，有某些不同的子电路是用于不同的工作频段的。

在现有的Dual-band LNA文献中，主要采用使用内部使能端控制的低噪声放大器结构。其拓扑结构主要有两种形式。

一种是采用开关切换谐振网络以调节输出匹配，从而使输出匹配网络谐振在两个不同的频段(殷吉辉，杨华中，“一种双频段CMOS低噪声放大器”，微电子学，Vol.37，No.3，Jun.2007，参考文献4)(Sang-Sun Yoo and Hyung-JounYoo，“A Compact Dual-band LNA Using Self-matched Capacitor”，IEEEInternational Workshop on Radio-Frequency Integration Technology，Dec.9-11，2007，参考文献5)。

另一种是采用开关控制输入匹配网络，使其在两个频段内切换(MohamedEl-Nozahi，Student Member，IEEE，Edgar Sánchez-Sinencio，Fellow，IEEE，and Kamran Entesari，Member，IEEE，“A CMOS Low-Noise Amplifier WithReconfigurable Input Matching Network”IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVETHEORY AND TECHNIQUES，VOL.57，NO.5，MAY 2009，参考文献6)(VojkanVidojkovic，Johan van der Tang，Eric Hans sen，Arjan Leeuwenburgh andArthur van Roermund，“FULLY-INTEGRATED DECT/BLUETOOTH MULTI-BAND LNAIN 0.18μm CMOS”，IEEE，参考文献7)。

开关切换输出谐振网络的双频段低噪声放大器结构(参考文献4，5)，其优点是既可以通过匹配输人电路来获得最优噪声系数，还可防止两个频段信号之间的相互干扰。选频通过一个使用开关振荡器的双频LNA拓扑结构实现。缺点是晶体管开关会引入寄生电阻和电容，使电感的品质因子Q值下降，对受调节回路造成影响，一般应用于相对较窄的带宽。

开关控制输入匹配网络的双频段低噪声放大器(参考文献6，7)，参考文献6电路优点是实现了连续调节输入匹配网络，能达到相对较宽的带宽。缺点是输入匹配网络复杂，在0.13μm CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)工艺下噪声系数是3.2 3.7dB，噪声系数大。参考文献7电路优点是噪声系数较低(低于2.5dB)，增益高(大于等于15dB)，容易实现。缺点是只能窄带应用，不能用于宽带传输***。

所以，如何针对IMT-A和UWB的多模式***，设计一种双频段低噪声放大器，使其能够应用于较宽频带的通信***，并且使噪声系数、增益、输入输出匹配的技术指标都有一定程度的提高，成为一个重要的开发课题。

发明内容

本发明专利中，我们提出一种新的“双频段低噪声放大器”结构，实现在3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz两个带宽不同的频段内切换，且在4.2-4.8GHz较宽的频带内实现了输入输出匹配。根据SMIC公司提供的0.13微米的混合信号CMOS工艺进行的设计显示，本发明的双频带低噪声放大器集成电路芯片与其它设计结构(参考文献4、5、6、7)相比，本设计的噪声系数、增益、输入输出匹配的技术指标都有较大的改善。

我们采用SMIC公司0.13微米的混合信号CMOS工艺，设计了双频段低噪声放大器集成电路芯片。和已经公开发表的结果相比，本设计在两个频段内分别采用窄带和宽带匹配，双频带内都达到了较小的噪声系数和较高的增益，并在两个频段内都实现了输入输出50Ω阻抗匹配。

在电路设计中同时采用两个谐振网络并联的形式来提高增益和拓展带宽。

以下解释本发明的技术原理。

为了能从背景噪声中检测出微弱的射频信号，对Dual-band LNA提出了很高的要求，如采用宽带50Ω输入匹配来减小回波损耗，需要足够的增益来抑制下一级噪声，低的噪声系数去提高接收机的灵敏度，低功耗等。

另外，为了实现高集成度，低成本，低功耗等要求，我们采用CMOS工艺，但是由于CMOS工艺较差的RF特性，如较高的寄生电容，较低的跨导，较低的电源电压等，这也为设计带来了其他方面的挑战。

本发明的电路拓扑图如图1所示。

电感L₂，L₃和电容C₂，C₃构成带通滤波器，用于展宽频带。该带通滤波器中无源器件的选择决定了带宽和波动系数。电感L₁和电容C₁与NMOS晶体管M₁的输入阻抗共同构成串联谐振，在谐振频率附近匹配50Ω输入阻抗，电感L_s用于提供输入阻抗的实部。

NMOS(N型-MOS)晶体管M₁，M₂是放大管，NMOS晶体管M₃分别与M₁，M₂构成共源共栅结构。共源共栅结构能够：提高放大器的输出阻抗；给放大管一个低阻抗负载，使得放大管的增益比较低，降低了放大管的Miller效应对放大器性能的影响；提高了反向隔离度，减弱了本振信号的泄露，同时使放大器成为一个单向化放大器，简化设计并避免了稳定性问题。

电容C_ext1，C_ext2跨接两个放大管的栅源端，用于噪声匹配，对降低双频段低噪声放大器的噪声系数有很大的贡献。

电阻R₁，R₂是分压电阻，提供偏置电压。

NMOS晶体管M₆，M₇是开关管，栅极接“1/0”数字信号，用于数字控制双频段低噪声放大器的工作频段。

电感L_L1，L_L2与电容C_L1，C_L2构成两个并联谐振网络。电容C_L1，C_L2是两个可变电容，用外接信号控制其电容值，从而改变两个谐振网络的谐振频率。相对于一个并联谐振网路而言，两个并联谐振网络有助于拓展带宽，从而在相对较宽的频段内满足增益要求。

电阻R₃，R₄阻值很大，作用是在开关管NMOS晶体管M₆，M₇处于导通状态时，减小支路电流以减小对偏置电路的影响，并减小对噪声系数的影响。

同时为了测试的目的，输出端的MOS晶体管M₄和M₅构成源级跟随器，用来驱动50Ω的负载终端。

作为对比，两种目前已经发表的Dual-band LNA电路拓扑结构，即共源共栅源级负反馈结构和输入匹配连续调节结构，分别由参考文献4，6给出。同这两种结构相比，本结构的新颖性主要是针对不同的频带分别做了窄带和宽带输入匹配，并采用连个并联LC谐振网络串联的形式增加带宽，同时工作频段可通过外部信号控制。

案例分析：为了证明本发明电路的可行性，我们采用SMIC公司0.13μmCMOS工艺，利用仿真工具Cadence-SpectreRF进行仿真。

作为一种特例，主要电路元件参数如下：

W_M1＝W_M2＝160μm

W_M3＝120μm

L_L1＝L_L2：coil turns：2.5  width：8μm  inner radius：45μmspacing：1.5μm

所有MOS器件的长度为0.13μm。电路工作电压为1.2V，主体电路电流消耗12.5mA，跟随器电流消耗2.9mA，总功耗为15.4mW。

电路的仿真结果如图2，图3，图4，图5，图6所示。

图2是3.4-3.6GHz频段内得到的NF的仿真结果。

图3是4.2-4.8GHz频段内得到的NF的仿真结果。

图4是输入回波损耗S₁₁的仿真结果。

图5是增益S₂₁的仿真结果。

图6是输出回波损耗S₂₂的仿真结果。电路工作频段3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz，在3.4-3.6GHz频段内，输入匹配S₁₁小于-12.71dB和，输出匹配S₂₂小于-13.62dB，增益S₂₁最小为19.28dB，最大为19.51dB，增益波动为0.23dB，噪声系数NF为2.441-2.578dB。在4.2-4.8GHz频段内，输入匹配S₁₁小于-21.7dB和，输出匹配S₂₂小于-12.61dB，增益S₂₁最大为19.7dB，最小为17.93dB，增益波动为1.77dB，噪声系数NF为3.129-3.276dB。

图7是双频段低噪声放大器集成电路版图。

同其它已经发表的结果相比，本发明的性能列表如下。

表1与已发表Dual-band LNA的性能比较

通过和参考文献比较，我们发现本发明的全集成双频段低噪声放大器结构的性能新颖性如下：与文献4、5、7相比，本设计的应用频段是分别是3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz，设计频带较宽，与窄带应用相比增加了设计难度，并实现了较低的噪声系数，较高的增益，较好的输入输出匹配；与文献6相比，噪声系数明显降低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是本设计的电路拓扑图。

图2是采用SMIC 0.13μmCMOS工艺。利用仿真工具Cadence-SpectreRF，在3.4-3.6GHz频段内得到的NF的仿真结果。

图3是采用SMIC 0.13μmCMOS工艺。利用仿真工具Cadence-SpectreRF，在4.2-4.8GHz频段内得到的NF的仿真结果。

图4是采用SMIC 0.13μmCMOS工艺。利用仿真工具Cadence-SpectreRF，在3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz频段内得到的S₁₁的仿真结果。

图5是采用SMIC 0.13μmCMOS工艺。利用仿真工具Cadence-SpectreRF，在3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz频段内得到的S₂₁的仿真结果。

图6是采用SMIC 0.13μmCMOS工艺。利用仿真工具Cadence-SpectreRF，在3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz频段内得到的S₂₂的仿真结果。

图7是本发明的电路版图。

图1中

11，21  电压输入端口

12  电感L₁

13  电容C₁

14  电容C_ext1

22  电感L₃

23  电容C₃

24  电容C_ext2

25  电感L₂

30  电感L_S

31  NMOS晶体管M₁

32  NMOS晶体管M₂

33  NMOS晶体管M₃

35  电感L_L1

36-电容C_L1

38  电感L_L2

39-电容C_L2

41  数字信号控制端

42  NMOS晶体管M₆

43  电阻R₃

51  数字信号控制端

52  NMOS晶体管M₇

53  电阻R₄

61-电阻R₁

61-电阻R₂

70  电源V_DD

71  NMOS晶体管M₄

71  NMOS晶体管M₅

具体实施方式

在图1中，电路拓扑图可分为以下五部分：

第一部分包括电感L_S，L₁，L₂，L₃和电容C₁，C₂，C₃，C_ext1，C_ext2。电感L₂，L₃和电容C₂，C₃构成带通滤波器，用于展宽频带；电感L₁和电容C₁及电感L_S，用于输入阻抗匹配；电容C_ext1，C_ext2跨接两个放大晶体管的栅源端，用于最佳噪声匹配。

第二部分包括NMOS晶体管M₁，M₂，M₃，电感L_L1，L_L2以及电容C_L1，C_L2。NMOS晶体管M₁，M₂是放大管，NMOS晶体管M₃分别与M₁，M₂构成共源共栅结构；电感L_L1，L_L2与电容C_L1，C_L2构成两个并联谐振网络，电容C_L1，C_L2是两个可变电容，用外接信号控制其电容值。

第三部分包括电阻R₁，R₂，为偏置电路部分。

第四部分包括NMOS晶体管M₆，M₇和电阻R₃，R₄。NMOS晶体管M₆，M₇是开关管，栅极接1/0数字信号，用于数字控制双频段低噪声放大器的工作频段；电阻R₃，R₄的作用是在开关管NMOS晶体管M₆，M₇处于导通状态时，减小支路电流以减小对偏置电路的影响，并可用于减小对噪声系数的影响。

第五部分包括NMOS晶体管M₄，M₅。NMOS晶体管M₄，M₅用来构成源级跟随器，驱动50Ω的负载终端。

Claims (3)

1.一种实现可同时应用于高级国际移动通信(Advanced International Mobile Communications，IMT-Advaneed)和超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)多频段、多标准通信***中的双频段低噪声放大器集成电路的方法，采用窄带和宽带的双输入单输出的双频段低噪声放大器结构，数字信号控制两个频段的切换，该双频段低噪声放大器集成电路包括以下五个(A，B，C，D，E)主要部分：

A部分：包括NMOS(N型-MOS)晶体管M₁，M₂，M₃，电感L_L1，L_L2和电容C_L1，C_L2，构成放大器的主体，其中NMOS管M₁、M₂、M₃组成共源共栅结构，电感L_L1和可变电容C_L1并联，电感L_L2和可变电容C_L2并联，这两个并联谐振网络再串联接在M₃的漏极；

B部分：包括电感L_S，L₁，L₂，L₃和电容C₁，C₂，C₃，C_ext1，C_ext2，构成输入匹配网络，其中Ls位于M₁和M₂的共源端，第一路信号输入端接L₁和C₁的串联并与M₁的栅极相连，第二路信号输入端接L₂和C₂的并联接地，同时接L₃和C₃的串联接M₂的栅极，C_ext1接在M₁的栅源之间，C_ext2接在M₂的栅源之间；

C部分：包括两个电阻R₁和R₂，构成偏置电路，R₂和R₁串联接在电源电压与地之间，R₂的分压分别接在M₆的漏极、M₇的漏极、M₅的栅极；

D部分：包括两个NMOS晶体管，M₆，M₇和两个电阻R₃，R₄，为数字控制电路部分，R₃的一端接M₆的源极，一端接M₁的栅极，R₄的一端接M₇的源极，一端接M₂的栅极；

E部分：两个NMOS晶体管M₄和M₅构成源极跟随器，为输出部分，M₄的漏极接电源电压，栅极接M₃的漏极，源极接输出端和M₅的漏极，M₃的源极接地，栅极接M₆和M₇的漏极；

其特征在于电感L_L1，L_L2与用外接信号控制的两个可变电容C_L1，C_L2构成两个并联谐振网络，用于扩展电路的带宽，提高电路在整个工作频段的增益平坦度。

2.按照权利要求项1所述实现可同时应用于高级国际移动通信(Advanced International MobileCommunications，IMT-Advanced)和超宽带(ultra-wide band，UWB)多频段、多标准通信***中的双频段低噪声放大器集成电路的方法，输入端在两个频段内分别采用窄带和宽带匹配网络，实现3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz频段内的50Ω阻抗匹配。

3.按照权利要求项1所述实现可同时应用于高级国际移动通信(Advanced International MobileCommunications，IMT-Advanced)和超宽带(ultra-wide band，UWB)多频段、多标准通信***中的双频段低噪声放大器集成电路的方法，数字控制电路部分实现数字信号控制频段切换，降低开关切换对噪声系数的影响。