本发明专利技术属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种采用噪声抵消技术的超宽带低噪声放大器。该低噪声放大器电路结构由差分输入、由输入平衡－非平衡转换器（Ｂａｌｕｎ）、匹配级、放大级和负载级依次电路连接构成。该电路结构在放大级采用共栅与共源结合的方式，一方面可以对输入共栅管的沟道电流热噪声进行放大，从而在差分端有效的抵消该噪声；另一方面可以大大增加电路的增益以满足系统要求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术为射频集成电路
，具体涉及一种采用噪声抵消技术、高增益且有良好输入匹配的CMOS超宽带低噪声放大器电路的设计。
技术介绍
超宽带(UWB)技术起源于20世纪50年代末，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出，并倍受关注。UWB与常见的通信方式使用连续的载波不同，它采用极短的脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。这些脉冲所占用的带宽甚至高达几GHz，因此最大数据传输速率可以达到几百Mbps。在高速通信的同时，UWB设备的发射功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一，对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声，因此从理论上讲，UWB可以与现有无线电设备共享带宽。所以，UWB是一种高速而又低功耗的数据通信方式，它有望在无线通信领域得到广泛的应用。 美国联邦通信委员会(FCC)于2002年公布了允许民用的UWB频段，即3.1～10.6GHz，限制其发射功率(平均EIRP不超过-41.2dBm/MHz)，并对UWB信号做出了定义，即信号带宽大于500MHz或者信号带宽与载波频率之比大于0.2)。目前，在UWB系统的定义上存在两种方案，直接序列(DS-CDMA)和多带正交频分复用(MB-OFDM)，其都定位在无线个域网(WPAN)领域，数据传输速率在2米时达到480Mbps，在10米时也有110Mbps，这已经能够满足室内视频多媒体实时传输的要求。自2006年1月电气和电子工程师协会(IEEE)下的802.15.3a工作组解散以来，这两个标准走上了事实标准的竞争道路。前者以Freescale公司为核心，后者受到各大厂商的支持，如Intel，TI，Samsung，Philips，Nokia等。就目前的发展状况来说，Freescale于2006年退出了旨在推动其标准进程的UWB论坛组织(UWB-Forum)，并宣称将致力于把DS标准应用于无线USB中，并把自己的产品应用到部分多媒体设备上。后者成立的Wimedia联盟则将自己的标准作为一种物理实现技术推广，受到USB-IF，无线1394等组织的认可，在与蓝牙特别兴趣小组(SIG)合作后，该技术有了更大的应用平台。2007年3月，MB-OFDM的技术被国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)采纳。 UWB的另一个特征就是低功耗。对于射频收发机，一般来说，使用SiGe或者BiCMOS工艺，在同样的性能条件下可以比使用全CMOS工艺有更低的功耗。但是，随着CMOS工艺特征尺寸不断缩小，其截止频率已经达到SiGe工艺的水平，如65nm工艺的截止频率达到了150GHz以上。故现代深亚微米的CMOS工艺完全能够满足UWB设备低功耗的要求。 为了避免与WLAN-802.11a的5GHz工作频段冲突，目前的方案大致分为两个大的频段低频段近似为3.1～4.7GHz，作为第一代UWB系统的开发频段；高频段近似为5.8～10.6GHz。另外，在这两种方案的系统结构中，都使用了无线通信中必不可少的模块-低噪声放大器(LNA)。 低噪声放大器是射频接收机前端中最关键的模块之一。在传统的窄带LNA中，一般要求电路有低的噪声系数、合适的增益、好的输入匹配及高线性度。而在带宽达几GHz的超宽带系统中，由于电路工作频率高，因此在整个频段内的良好的输入匹配和平坦合适的增益则是除噪声特性外最重要也最难达到的性能要求。 文献提出了基于交叉耦合输入的低噪声放大器，该放大器采用交叉耦合的方式实现了增益提升，并且抵消了一部分噪声，从而减小了输入对管的噪声贡献。但是输入共栅对管的噪声没有能够完全抵消，并且共栅结构的增益受到输入对管匹配要求的限制，不能做大，在UWB系统应用时无法满足增益要求，从而导致后级噪声等效到输入端。 W.Zhuo，X.Li，S.Shekhar，et al.A Capacitor Cross-Coupled Common-Gate Low-NoiseAmplifier.IEEE Transactions on circuits and systems.2005，52(12)875-879.
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种应用于UWB系统接收机的在低功耗下有高增益且有良好噪声性能的CMOS超宽带低噪声放大器电路。 本专利技术提出的超宽带低噪声放大器电路，其结构框图如附图1所示，该结构分为4级，依次为输入平衡-非平衡(Balun)转换器、输入匹配级、放大级和负载级组成。 第一级平衡-非平衡转换器由一变压器组成，可以实现1∶2阻抗变换的，其中平衡端接信号源，非平衡端接第三级的差分信号输入端； 第二级输入匹配级，为三端口无源电感电容网络，两个端口为输出端，一个端口接地，其中输出端接第三级的差分信号输入端；具体级数和拓扑网络随工作频段的不同而不同； 第三级放大级为四端口网络，两个输入端，两个输出端； 两个输入端一共接四个MOS管；首先，两个输入端接到两个源栅交叉耦合的MOS管的源端，每个MOS管的栅源通过电容隔直；另外输入端还串接两个隔直的电容，隔直电容再接到两个共源MOS管的栅端；这四个MOS管中，每两个栅端与接同相信号的MOS管的漏端相连，然后分别接到共栅管的源端；两个输出端为共栅管的漏端； 第四级负载级为三端口无源负载网络，一端接电源，另外两端接第三级的输出端；其中含有电阻电感的串联或者并联支路，可以含有电容元件，具体依工作频段的宽窄和使用的工艺而定。 低噪声放大器的匹配方式可以有电阻负反馈、共栅极输入和匹配网络匹配三种方式。电阻负反馈的方式可以在提高增益的同时获得较好的匹配性能，但是此方法在输入和输出引入了反馈回路，因此稳定性很差。匹配网络匹配需要较多的电感电容元件，会占用较大的芯片面积。共栅极输入的方式不需要复杂的匹配网络，且输入端的品质因数Q值较易控制，故本专利技术采用了共栅输入的方式。 Balun的等效电路如图2所示，其基本作用是把单端信号转换为差分信号，一般使用变压器实现。单端信号输入端为原端，差分信号输出端为副端，原端同副端的匝数比例为 使用该Balun后，一方面，由于两个原副端的信号极性相反，故可以把输入的单端信号转换为差分信号；另一方面，对于某一个共栅管的沟道电流噪声产生的噪声电压，它可以将其反相转换到另一个副端，从而为噪声抵消提供条件，具体原理见3的分析。 输入匹配级为一个电感，它在输入端提供谐振，以抵消输入端的容性寄生，该容性寄生来源于输入端的ESD、PAD、放大级的输入管等。当然它不可能在全频段都提供良好的谐振，但是只要输入端的Q值小于匹配所需的2，即寄生电容小于某一值，就可以实现较好的输入匹配。 放大级的电路如图3所示，由MOS管M1、M2、M3、M4、MS1、MS2，电容C1、C2经电路连接组成，其中，MOS管M1和M2源端和栅端交叉耦合，提供输入匹配所需阻抗的实部，同时对信号进行放大。MOS管M1和M2构成的输入端的等效电路如图4所示，流过vin的电流为gmvin，所以，双端输入阻抗为 在阻抗匹配的条件下，有 C1、C2为交叉耦合的隔直电容，用以隔离MOS管M1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种采用噪声抵消技术的超宽带低噪声放大器电路，分为四级，第一级为一个平衡一非平衡转换器，第二级为输入匹配级，第三级为放大级，第四级为负载级；其中： 第一级平衡－非平衡转换器由一变压器组成，以实现１∶２阻抗变换，其中平衡端接信号源，非平衡端接第三级的差分信号输入端； 第二级输入匹配级，为三端口无源电感电容网络，两个端口为输出端，一个端口接地，其中输出端接第三级的差分信号输入端；具体级数和拓扑网络随工作频段的不同而不同； 第三级放大级为四端口网络，两个输入端，两个输出端； 两个输入端一共接四个ＭＯＳ管；首先，两个输入端接到两个源栅交叉耦合的ＭＯＳ管的源端，每个ＭＯＳ管的栅源通过电容隔直；另外输入端还串接两个隔直的电容，隔直电容再接到两个共源ＭＯＳ管的栅端；这四个ＭＯＳ管中，每两个栅端与接同相信号的ＭＯＳ管的漏端相连，然后分别接到共栅管的源端；两个输出端为共栅管的漏端； 第四级负载级为三端口无源负载网络，一端接电源，另外两端接第三级的输出端；其中含有电阻电感的串联或者并联支路。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李巍，罗志勇，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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