專利名稱：基于差分電感器的低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別是涉及低噪聲放大器。
技術(shù)背景射頻(RF)接收器的前端通常具有低噪聲放大器(LNA)、混頻 器和一些濾波器。因?yàn)長(zhǎng)NA是接收器的第一級(jí)，所以它的性能常常 對(duì)接收器性能設(shè)定了極限。通常，LNA展示至天線的50 O輸入阻 抗，由此將功率傳遞最大化?？梢圆捎镁哂须姼衅鞯牟罘諰NA來(lái)提 供這種輸入匹配。但是，傳統(tǒng)差分LNA可能有一些缺點(diǎn)。典型的差分LNA —般 需要六個(gè)單端電感器，因此與使用三個(gè)單端電感器的單端LNA相比 占用了約兩倍的硅面積且消耗更多功率。另一方面，單端LNA具有 比差分LNA更差的共模抑制和偶次失真。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種裝置，包括 具有第一和第二差分電感器的輸入匹配電路，在具有輸入端子的輸入端上與輸入電阻匹配，所述輸入匹配電路提供輸入電壓；差分放大器電路，連接到所述輸入匹配電路以將所述輸入電壓 轉(zhuǎn)換成電 流;輸出電路，在具有輸出端子的輸出端上提供具有低輸出阻抗的輸出電壓緩沖器；連接到所述差分放大器電路的共射共基放大電路，增加所述輸 入端子與所述輸出端子之間的隔離。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種方法，包括 使用兩個(gè)差分電感器來(lái)匹配輸入電阻，所述兩個(gè)差分電感器提 供輸入電壓；使用差分放大器電路將所述輸入電壓轉(zhuǎn)換成電流； 在具有輸出端子的輸出端上提供具有低輸出阻抗的輸出電壓緩 沖器；以及使用共射共基放大電路來(lái)增加所述輸入端子和所述輸出端子之 間的隔離。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種系統(tǒng)，包括 連接到天線的射頻(RF)濾波器，接收RF輸入信號(hào)； 連接到所述RF濾波器的低噪聲放大器(LNA),將所述RF輸 入信號(hào)放大，所述LNA包括具有第一和第二差分電感器的輸入匹配電路，在具有輸入端子的輸入端上與輸入電阻匹配，所述輸入匹配電路提供輸入電壓；連接到所述輸入匹配電路的差分放大器電路，將所述輸入電壓 轉(zhuǎn)換成電流；輸出電路，在具有輸出端子的輸出端上提供具有低輸出阻抗的 輸出電壓緩沖器；連接到所述差分放大器電路的共射共基放大電路，增加所述輸 入端子與所述輸出端子之間的隔離。連接到所述LNA的鏡像抑制濾波器，削弱鏡像信號(hào)，并阻止所 述鏡像信號(hào)破壞期望的RF信號(hào)；連接到所述鏡像抑制濾波器的混頻器，將所述RF信號(hào)與來(lái)自本地振蕩器的振蕩器信號(hào)混合；以及連接到所述混頻器的中頻(IF)濾波器，從所混合的信號(hào)中提 取期望的IF信號(hào)。


通過(guò)參考用于說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的下文描述和附圖，可以更好地理解本發(fā)明的實(shí)施例。在這些附圖中圖1是示出其中可實(shí)施本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的示意圖。 圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的低噪聲放大器(LNA)的示意圖。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的LNA的布局的示意圖。
具體實(shí)施方式
在下文描述中，提出多個(gè)特定細(xì)節(jié)。但是，要理解本發(fā)明可以 在沒(méi)有這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。在另一些實(shí)例中，未示出公知 的電路、結(jié)構(gòu)和技術(shù)以免妨礙對(duì)本文描述的理解。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例可以描述成常常作為流程圖、程序圖、結(jié) 構(gòu)圖或框圖來(lái)說(shuō)明的流程。雖然流程圖可以作為順序的流程來(lái)描述 操作，但是這些操作的許多操作可以并行或同時(shí)執(zhí)行。此外，操作 的次序是可以重新安排的。當(dāng)其操作完成時(shí)，流程終止。流程可以 對(duì)應(yīng)于方法、程序、過(guò)程、制造或加工方法等。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一種使用三個(gè)差分電感器設(shè)計(jì)差分LNA 的技術(shù)。與使用六個(gè)單端電感器的傳統(tǒng)差分LNA相比，該設(shè)計(jì)占用 約一半的硅面積。采用全部差分電感器，由于差分電感器結(jié)構(gòu)的對(duì) 稱特性，所得到的差分LNA可以實(shí)現(xiàn)較之單端LNA更好的共模抑 制和更少的二次失真。 -.圖1是示出其中可以實(shí)施本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)100的示 意圖。系統(tǒng)100包括天線110、射頻(RF)濾波器120、 4氐噪聲放大 器(LNA) 130、鏡像抑制濾波器140、混頻器150、本地振蕩器(LO) 160以及中頻率(IF)濾波器170。天線110作為通信系統(tǒng)的 一部分接收RF信號(hào)。可以從任何適合 的信號(hào)源(例如移動(dòng)裝置、蜂窩電話等)生成RF信號(hào)。RJF濾波器120
對(duì)接收到的RF信號(hào)濾波以消除任何非期望的噪聲分量。在一個(gè)實(shí)施 例中，RF信號(hào)在高達(dá)4至6吉赫(GHz)'的頻率范圍內(nèi)。LNA 130提供對(duì)濾波的RF輸入信號(hào)的放大。它提供足夠的增益 以降低后續(xù)級(jí)中生成的噪聲，同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)引入盡可能小的噪聲。 LNA 130優(yōu)選地具有低噪聲系數(shù)(NF)、具有足夠線性的增益和適合 的輸入匹配。輸入匹配通常對(duì)于單端LNA為50 Q而對(duì)于差分LNA 為100 Cl。在一個(gè)實(shí)施例中，LNA 130是差分LNA。與單端LNA 相比，差分LNA通常具有較好的對(duì)干擾的共模抑制以及理論上理想 地消除二次諧波。LNA 130利用差分電感器來(lái)提供有效的硅面積利 用、成本降低以及改善噪聲系數(shù)。鏡像抑制濾波器140削弱降頻到與期望的RF信號(hào)相同的中頻 (IF)頻帶，由此破壞原期望的RF信號(hào)的鏡像信號(hào)?；祛l器150將 濾波的輸入信號(hào)與來(lái)自本地振蕩器160的振蕩信號(hào)混合。該振蕩器 信號(hào)位于信號(hào)處理所期望的頻率。IF濾波器170從混合的信號(hào)中濾 掉非期望的信號(hào)分量，而保留位于供進(jìn)一步處理的IF頻率的期望的 信號(hào)分量。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的低噪聲放大器(LNA )130 的示意圖。LNA 130包括輸入前端電路210、輸入匹配電路220、差 分放大器電路230、共射共基放大電路240、調(diào)諧電路250、輸出電 路260和電流偏置電^各270。 LNA 130具有輸入端205和輸出端295。 輸入端205和輸出端295分別是差分輸入和輸出端子。輸入前端電路210包括電容器Q 272、 C2 274和q 286，電阻 器Rl 282和R2 284以及偏置電壓源285。電容器C！ 272和C2 274 位于LNA 130的輸入端205。它們是用于隔離來(lái)自其他電路級(jí)的不 同的偏置電壓并減少大的帶外千擾和LNA非線性的交流電(AC)耦 合電容器。電容器Q 286和電阻器R1 282和R2 284用于隔離^^配 置電壓源285到輸入匹配電路220的噪聲耦合。輸入匹配電路220提供匹配功能。在一個(gè)實(shí)施例中，該匹配輸
入電阻是100 Q。它具有第一和第二差分電感器L, 222和乙2 224。 第一差分電感器"222連接在輸入端205的差分輸入端上并連^l妄到 差分放大器電路230。第二差分電感器L2.224連接于差分放大器電路 230與電流偏置電路270之間。差分放大器電路230連接到輸入匹配電路220，以將輸入電壓轉(zhuǎn) 換成輸入電壓。它包括晶體管]V^ 222和M2 224。這兩個(gè)晶體管的柵 連接到第一差分電感器222的兩個(gè)差分端子。這兩個(gè)晶體管的源極 連接到差分電感器L2 224的兩個(gè)端子。這兩個(gè)晶體管的漏極連接到 共射共基放大電路240。晶體管M, 222和M2 224 —起將差分輸入電 壓轉(zhuǎn)換成差分輸入電流。共射共基放大電路240連接到差分放大器電路230和輸出電路 260,以增加差分放大器電路230與輸出電路260之間的隔離。它包 括晶體管M3 242和M4 244。這兩個(gè)晶體管的柵連接到電壓源VDD。 它們的源極連接到差分放大器電路230中的晶體管IV^ 222和M2 224 的漏極。它們的漏極連接到調(diào)諧電路250和差分放大器電路230。調(diào)諧電路250包括第三差分電感器乙3252，它實(shí)質(zhì)上用于與處于 工作頻率的共射共基放大電路240和輸出電路260產(chǎn)生的寄生電壓 諧振。在一個(gè)實(shí)施例中，該工作頻率具有4至6GHz的范圍。輸出電路260提供具有低輸出阻抗的輸出電壓緩沖器以驅(qū)動(dòng)下 一級(jí)。輸出電路260包括第一、第二、第三和第四輸出晶體管MO, 232、 M02 234、 M03 236和M04 238,以及兩個(gè)電容器C3 276和C4 278。第一和第二輸出晶體管MO, 232和M02 234以它們的柵連接到 調(diào)諧電路250中的第三差分電感器L3 252，以它們的漏極連接到電壓 源VDD，以及它們的源極經(jīng)由電容器C3 276和C4 278提供輸出295。 電容器C3 276和C4 278是幫助減少帶外干擾和LNA非線性導(dǎo)致的 偶次失真的AC耦合電容器。第三和第四輸出晶體管M03 236和M04 238以它們的漏極連接到第一和第二輸出晶體管MC^ 232和M02 234 的源極，以它們的柵連接到第二偏置電壓275，以及以它們的源極連
接到地線電壓。電流偏置電路270包括電流源272和電流鏡電路274。電流源272 提供偏置電流。電流鏡電路274將偏置電流經(jīng)由第二差分電感器L2 224映像(mirror)到差分放大器電路230和共射共基放大電路240。 電流鏡電路274包括在電流鏡配置中連接的兩個(gè)晶體管M5 264和M6 266。上文的電路的電感器、電容器和電阻器的典型值為如下所示q =2picoFarads(pF), C2 = 2pF, C3 = 2pF， C4 = 2pF， C5 = 2pF， = 5 nanoHenry (nH)， L2 = 0.8 nH, L3 = 5 nH, R, = R2 = 2 KQ 。差分電 感器可設(shè)計(jì)成具有大于11的質(zhì)量系數(shù)Q。最終的LNA具有4 GHz 至6 GHz的工作頻率范圍。可使用互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS ) (例如砷化鎵(GaAs)、雙極CMOS ( BiCMOS )以及硅鍺(SiGe)) 工藝或任何其他適合的工藝以在芯片上實(shí)現(xiàn)整個(gè)LNA。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的LNA的布局300的示意 圖。布局300包括輸入/輸出焊盤312、 3_14、 316和318,第一、第 二和第三差分電感器322、 324和326,以及其他組件和電路330。I/O焊盤312、 314、 316和318提供連接到LNA 130的輸入端 和輸出端的焊盤。第一、第二和第三差分電感器322、 324和326分 別對(duì)應(yīng)于圖2所示的第一、第二和第三差分電感器222、 224和252。 它們中至少一個(gè)具有八邊形螺旋幾何形狀。如圖3所示，所有三個(gè) 具有八邊形螺旋幾何形狀，并配置為差分配置。但是，差分電感器 的形狀可以是圓形、正方形或六邊形。布局322可對(duì)應(yīng)于兩端口差 分配置。布局324和326可對(duì)應(yīng)于單端口差分配置。其他組件和電 路330對(duì)應(yīng)于圖2所示的其余電路和組件。由于差分電感器的對(duì)稱配置，所以最終的LNA較之使用單端電 感器的LNA具有更好的共模抑制，以及更小的二次失真。此外，還 可使用非八邊形幾何形狀的幾何形狀，例如圓形、正方形和六邊形。對(duì)該LNA的模擬顯示如下結(jié)果。在5GHz處，噪聲系數(shù)(NF)
為1.8dB, S參數(shù)為S = -24dB， S22 =-24dB, S21 = 17dB,以及S。二 -43dB。從1.2V電源，功耗為14mW。該工藝是90nm RF CMOS工 藝。所占用的物理硅面積是0.4 mm2。與使用六個(gè)單端電感器且就S 參數(shù)而言具有相似電氣性能的常規(guī)LNA相比，此布局表示至少36% 晶片減少面積，從而產(chǎn)生顯著的成本降低。雖然已根據(jù)多個(gè)實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì) 認(rèn)識(shí)到本發(fā)明不限于所描述的這些實(shí)施例，而是可在所附權(quán)利要求 的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行修改和改變。因此本說(shuō)明書應(yīng)視為解釋性的而 非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括具有第一和第二差分電感器的輸入匹配電路，在具有輸入端子的輸入端上與輸入電阻匹配，所述輸入匹配電路提供輸入電壓；差分放大器電路，連接到所述輸入匹配電路以將所述輸入電壓轉(zhuǎn)換成電流；輸出電路，在具有輸出端子的輸出端上提供具有低輸出阻抗的輸出電壓緩沖器；連接到所述差分放大器電路的共射共基放大電路，增加所述輸入端子與所述輸出端子之間的隔離。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，還包括連接到所述共射共基放大電路的第三差分電感器，在工作頻率 上與關(guān)聯(lián)的寄生電容諧振。
3. 如權(quán)利要求l所述的裝置，還包括 提供偏置電流的電流源；以及連接到所述電流源的電流鏡電路，對(duì)所述偏置電流進(jìn)行映像以 偏置所述差分放大器電路。
4. 如權(quán)利要求l所述的裝置，還包括在所述輸入端和輸出端上的電容器，至少將偏置電壓與前一級(jí) 和下一級(jí)分離，并且降低帶外干擾導(dǎo)致的偶次失真和低噪聲放大器 (LNA)的非線性；以及連接到第 一 偏置電壓源的電阻器電路，隔離從所述第 一 偏置電 壓源到所述輸入匹配電路的噪聲耦合。_
5. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述差分放大器電 路包括第一和第二晶體管，具有連接到所述第一差分電感器的柵以及 連接到所述第二差分電感器的源極。
6. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所迷共射共基放大 電路包括第三和第四晶體管，具有連接到電壓源的柵、連接到所述第一 和第二晶體管的漏極的源極以及連接到所述第三差分電感器的漏 極。
7. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述輸出電路包括 第 一和第二輸出晶體管，具有連接到所述第三差分電感器的柵、連接到電壓源的漏極和提供所述輸出的源極；以及第三和第四輸出晶體管，具有連接到所迷第 一 和第二輸出晶體 管的源極的漏極及連接到第二偏置電壓的柵。
8. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述第一、第二和 第三差分電感器這三者中至少一個(gè)具有八邊形螺旋幾何形狀。
9. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述工作頻率在約 4吉赫(GHz)與6GHz之間的范圍內(nèi)。
10. —種方法，包括使用兩個(gè)差分電感器來(lái)匹配輸入電阻，所述兩個(gè)差分電感器提 供輸入電壓；使用差分放大器電路將所述輸入電壓轉(zhuǎn)換成電流； 在具有輸出端子的輸出端上提供具有低輸出阻抗的輸出電壓緩 沖器；以及使用共射共基放大電路來(lái)增加所述輸入端子和所述輸出端子之 間的隔離。
11. 如權(quán)利要求IO所述的方法，還包括提供第三差分電感器以在工作頻率上使用第三差分電感器與關(guān) 聯(lián)的寄生電容諧振。
12. 如權(quán)利要求IO所述的方法，還包括使用電流源來(lái)提供偏置電流；以及 對(duì)所述偏置電流進(jìn)行映像以偏置所述差分放大器電路。
13. 如權(quán)利要求10所述的方法，還包括 在所述輸入端和所述輸出端上使用電容器來(lái)降低帶外干擾導(dǎo)致的偶次失真；使用電阻器電路將第一偏置電壓源與所述輸入匹配電路隔離。
14. 如權(quán)利要求11所述的方法，還包括 以單端口和兩端口配置之一將所述第一、第二和第三差分電感器這三者中的至少 一個(gè)設(shè)置成八邊形螺旋幾何形狀。
15. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，提供包括 提供所述第三差分電感器以在工作頻率上諧振，所述工作頻率在約4吉赫(GHz)與6GHz之間的范圍內(nèi)。
16. —種系統(tǒng)，包括連接到天線的射頻(RF)濾波器，接收RF輸入信號(hào)； 連接到所述RF濾波器的低噪聲放大器(LNA),將所述RF輸 入信號(hào)放大，所述LNA包括具有第一和第二差分電感器的輸入匹配電路，在具有輸入端子的輸入端上與輸入電阻匹配，所述輸入匹配電路提供輸入電壓；連接到所述輸入匹配電路的差分放夫器電路，將所述輸入電壓 轉(zhuǎn)換成電 流;輸出電路，在具有輸出端子的輸出端上提供具有低輸出阻抗的輸出電壓緩沖器；連接到所述差分放大器電路的共射共基放大電路，增加所述輸入端子與所述輸出端子之間的隔離。連接到所述LNA的鏡像抑制濾波器，削弱鏡像信號(hào)，并阻止所述鏡像信號(hào)破壞期望的RF信號(hào)；連接到所述鏡像抑制濾波器的混頻器，將所述RF信號(hào)與來(lái)自本地振蕩器的振蕩器信號(hào)混合；以及連接到所述混頻器的中頻(IF)濾波器，從所混合的信號(hào)中提取期望的IF信號(hào)。
17. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述LNA還包括連接到所述共射共基放大電路的第三差分電感器，在工作頻率 與關(guān)聯(lián)的寄生電容諧振。
18. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述LNA還包括提供偏置電流的電流源；以及連接到所述電流源的電流鏡電路，對(duì)所述偏置電流進(jìn)行映像以 偏置所述差分放大器電路。
19. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一、第二 和第三差分電感器這三者中至少一個(gè)具有八邊形螺旋幾何形狀。
20. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述工作頻率在 約4吉赫(GHz)至6GHz之間的范圍內(nèi)。
全文摘要
低噪聲放大器包括一對(duì)差分放大器晶體管(M₁，M₂)，它們以其漏極連接到相應(yīng)的共射共基放大器晶體管(M₃，M₄)。在放大器晶體管(M₁，M₂)的柵連接到輸入差分電感器(L₁)以用于接收RF輸入信號(hào)的同時(shí)，將放大器晶體管(M₁，M₂)的源極連接到源差分電感器(L₂)。共射共基放大器晶體管(M₃，M4)的漏極連接到負(fù)載差分電感器(L₃)以及連接到包括兩個(gè)源極跟隨器(M0₁，M0₂)的緩沖器電路(260)的輸入端。由電流源(272)通過(guò)電流鏡(M₅，M₆)提供差分放大器的尾電流。
文檔編號(hào)H03F3/45GK101167245SQ200680013966
公開日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2006年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月26日
發(fā)明者Y·張 申請(qǐng)人:英特爾公司