專利名稱：一種可變?cè)鲆娴驮肼曭?qū)動(dòng)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻集成電路設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鍺化硅雙極一互補(bǔ)金屬氧化 物半導(dǎo)體(SiGe BiCMOS)射頻集成電路，具體地說是一個(gè)應(yīng)用于860 960MHz頻段的SiGe BiCMOS工藝可變?cè)鲆娴驮肼曭?qū)動(dòng)放大器。
背景技術(shù)：
近年來，隨著射頻集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，日常生活中使用到了許多無線通信 產(chǎn)品，低成本和便攜性要求對(duì)這些無線通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。低噪聲驅(qū)動(dòng)放大 器位于射頻前端，接受來自混頻器的信號(hào)然后發(fā)送給功率放大器，由于混頻器的轉(zhuǎn)換增益 不高，而功率放大器又需要較大的輸入信號(hào)，因此需要低噪聲驅(qū)動(dòng)放大器來實(shí)現(xiàn)功率放大。 目前，利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝集成單芯片射頻收發(fā)機(jī)已經(jīng)成功案例，但是 集成可變?cè)鲆娴牡驮肼曭?qū)動(dòng)放大器仍然是一大挑戰(zhàn)。由于驅(qū)動(dòng)放大器需要實(shí)現(xiàn)低噪聲，而 且盡可能的做到增益可變，故而高的可變?cè)鲆婧偷偷脑肼曄禂?shù)，將是驅(qū)動(dòng)放大器的設(shè)計(jì)關(guān) 鍵。而采用CMOS技術(shù)單片集成可變?cè)鲆娴驮肼曭?qū)動(dòng)放大器，又受到器件較低的擊穿電壓， 較大的寄生噪聲，較小的電流驅(qū)動(dòng)能力和較高襯底損耗的影響，性能很難達(dá)到要求。因此， 利用與CMOS工藝相近的特種工藝條件實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆娴驮肼曭?qū)動(dòng)放大器在勢(shì)在必行。與傳統(tǒng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝相比，SiGe BiCMOS兼有雙極型 (Bipolar)與CMOS工藝的特點(diǎn)，能同時(shí)滿足射頻系統(tǒng)性能以及低功耗的要求。SiGe BiCMOS 工藝具有更高的特征頻率，典型的0. 35um SiGe BiCMOS技術(shù)具有45GHz以上的特征頻率； 同時(shí)，SiGeBiCMOS工藝的Bipolar器件具有較小的基極電阻和較小的寄生電容，從而能有 效減少噪聲。另外，SiGe BiCMOS技術(shù)能充分改善Bipolar器件的放大性能，提高增益，從 而特別適合于驅(qū)動(dòng)放大器的應(yīng)用。圖1示出了傳統(tǒng)低噪聲驅(qū)動(dòng)放大器電路圖。如圖1所示，傳統(tǒng)低噪聲驅(qū)動(dòng)放大器 由差分共源共柵連接的CMOS晶體管組成。其中Ml，M3和M2，M4為共源共柵放大管，L5和 L6為負(fù)載電感，Ll和L2為輸入匹配電感，L3和L4為源極負(fù)反饋電感，Rl, R2為偏置電阻， Cl和C2為輸入匹配電容，C3和C4為反饋電容，C5和C6為輸出匹配電容。可變?cè)鲆娴驮肼曭?qū)動(dòng)放大器的主要參數(shù)有可變的電壓/功率增益、噪聲系數(shù)、線 性度、輸入信號(hào)頻率、輸入輸出匹配、反向隔離和功耗。由于這些參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)、相互制約 的，因此在保證驅(qū)動(dòng)放大器增益盡可能高并且可變的基礎(chǔ)上，采用何種折衷方案來提高驅(qū) 動(dòng)放大器的整體性能成了設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種SiGe BiCMOS可變?cè)鲆娴驮肼曭?qū)動(dòng)放大器，它可以實(shí)現(xiàn) 860 960MHz頻段的覆蓋，支持GSM900，WCDMA及RFID等通信協(xié)議。該驅(qū)動(dòng)放大器可以實(shí) 現(xiàn)三種不同的增益模式、低的噪聲系數(shù)和較高的線性度。本發(fā)明結(jié)合鍺化硅雙極-異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(SiGe HBT)的優(yōu)點(diǎn)，采用全差分共源
3共柵電路結(jié)構(gòu)。該驅(qū)動(dòng)放大器包括由電阻接偏壓為共發(fā)射極晶體管電路提供基極偏置，由 共源共柵HBT晶體管構(gòu)成放大電路，共源極采用三個(gè)并排的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)，其中 一個(gè)共源極Bipolar HBT帶有負(fù)反饋電容，共柵極由一個(gè)Bipolar HBT構(gòu)成。本發(fā)明的具體技術(shù)方案是一種可變?cè)鲆娴驮肼曭?qū)動(dòng)放大器，該驅(qū)動(dòng)放大器包括差分信號(hào)輸入端RFim及 RFIN2、差分信號(hào)輸出端RFOUTl及RF0UT2、第一晶體管Q1、第二晶體管Q2、第三晶體管Q3、 第四晶體管Q4、第五晶體管Q5、第六晶體管Q6、第七晶體管Q7、第八晶體管Q8、第一電感 Li、第二電感L2、第三電感L3、第四電感L4、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電 阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第 五電容C5、第六電容C6、第七電容C7、第八電容C8、第九電容C9、第十電容C10、第i^一電容 C11、第十二電容C12，地線端GND，具體連接方式第一晶體管Ql的基極與第三電容C3和第 一電阻Rl連接，發(fā)射極與地線端GND連接，集電極與第三晶體管Q3的集電極、第五晶體管 Q5的集電極和第七晶體管Q7的發(fā)射極連接；第二晶體管Q2的基極與第四電容C4和第二 電阻R2連接，發(fā)射極與地線端GND連接，集電極與第四晶體管Q4的集電極、第六晶體管Q6 的集電極和第八晶體管Q8的發(fā)射極連接；第三晶體管Q3的基極與第五電容C5、第三電阻 R3和第九電容C9連接，發(fā)射極與地線端GND連接，集電極與第一晶體管Ql的集電極、第五 晶體管Q5的集電極和第七晶體管Q7的發(fā)射極連接；第四晶體管Q4的基極與第六電容C6、 第四電阻R4和第十電容ClO連接，發(fā)射極與地線端GND連接，集電極與第二晶體管Q2的集 電極、第六晶體管Q6的集電極和第八晶體管Q8的發(fā)射極連接；第五晶體管Q5的基極與第 七電容C7和第五電阻R5連接，發(fā)射極與地線GND連接，集電極與第三晶體管Q3的集電極、 第五晶體管Q5的集電極和第七晶體管Q7的發(fā)射極連接；第六晶體管Q6的基極與第八電容 C8和第六電阻R6連接，發(fā)射極與地線GND連接，集電極與第二晶體管Q2的集電極、第四晶 體管Q4的集電極和第八晶體管Q8的發(fā)射極連接；第七晶體管Q7的基極與電源端VDD連 接，發(fā)射極與第一晶體管Q1、第三晶體管Q3和第五晶體管Q5的集電極連接，集電極與第三 電感L3和第十一電容Cl 1連接；第八晶體管Q8的基極與電源端VDD連接，發(fā)射極與第二晶 體管Q2、第四晶體管Q4和第六晶體管Q6的集電極連接，集電極與第四電感L4和第十二電 容C12連接；第一電容Cl跨接在輸入端RFim和地線端GND之間；第二電容C2跨接在輸 入端RFIN2和地線端GND之間；第一電感Ll跨接在輸入端RFim和第三電容C3、第五電容 C5和第七電容C7之間；第二電感跨接在輸入端RFIN2和第四電容C4、第六電容C6和第八 電容C8之間；第九電容C9跨接在第三晶體管Q3的基極和發(fā)射極之間；第十電容ClO跨接 在第四晶體管QlO的基極和發(fā)射極之間；第三電感L3跨接在第七晶體管Q7和電源端VDD 之間，第四電感L4跨接在第八電感L8和電源端VDD之間；第十一電容Cll跨接在第七晶體 管Q7和輸出端RFOUTl之間；第十二電容C12跨接在第八晶體管Q8和輸出端RF0UT2之間； 第一電阻Rl跨接在第一晶體管Ql的基極和第三偏壓BIAS3之間；第二電阻R2跨接在第二 晶體管Q2基極和第三偏壓BIAS3之間；第三電阻R3跨接在第三晶體管Q3基極和第一偏壓 BIASl之間；第四電阻R4跨接在第四晶體管Q4基極和第一偏壓BIASl之間；第五電阻R5 跨接在第五晶體管Q5基極和第二偏壓BIAS2之間；第六電阻R6跨接在第六晶體管Q6基極 和第二偏壓BIAS2之間。所述第一晶體管Q1、第二晶體管Q2、第三晶體管Q3、第四晶體管Q4、第五晶體管Q5、第六晶體管Q6、第七晶體管Q7、第八晶體管Q8為鍺化硅雙極型晶體管。與傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)放大器相比，本發(fā)明主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)1、高的可變?cè)鲆姹景l(fā)明的SiGe BiCMOS可變?cè)鲆娴驮肼曭?qū)動(dòng)放大器可以實(shí)現(xiàn)12dB、15dB和18dB 三種可變的高功率增益，并且實(shí)現(xiàn)良好的輸入輸出匹配，增益控制通過外接偏壓決定。2、低噪聲本發(fā)明的SiGe BiCMOS可變?cè)鲆娴驮肼曭?qū)動(dòng)放大器采用SiGe BiCMOS工藝，噪聲 系數(shù)較小，對(duì)于射頻前端有更好的噪聲和靈敏度整體性能。3、功耗低本發(fā)明的SiGe BiCMOS可變?cè)鲆娴驮肼曭?qū)動(dòng)放大器的低功耗特性用以下指標(biāo)表 征供電電壓為1. 8V，低于傳統(tǒng)CMOS功率放大器的3. 3V/5V供電。


圖1為傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)放大器的電路2為本發(fā)明的電路3為本發(fā)明的增益特性曲線圖
具體實(shí)施例方式下面詳盡介紹本發(fā)明的工作過程。參閱圖2，本發(fā)明接收來自混頻器的射頻信號(hào)，經(jīng)過放大后輸出給功率放大器，然 后再由天線發(fā)射出去。電源電壓VDD采用1. 8V，BIASl端、BIAS2端和BIAS3端偏置在800mV， 通過合理調(diào)整偏置電阻使晶體管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6分別偏置在放大區(qū)和飽和區(qū)邊界以 得到較高的跨導(dǎo)和較低的噪聲系數(shù)。全差分的電路結(jié)構(gòu)有利于電路的穩(wěn)定性和更好的整體 性能。射頻差分輸入信號(hào)通過RFim端和RFIN2端差分輸入，通過RFOUTl端和RF0UT2端 差分輸出。本發(fā)明采用經(jīng)典的共源共柵結(jié)構(gòu)，可以得到高的功率增益、好的反向隔離、較好 的線性度以及較寬的頻率帶寬。晶體管Q1、Q2和Q3組成可變?cè)鲆娴墓苍礃O跨導(dǎo)管，通過選 擇Ql、Q3和Q5的管子發(fā)射極長(zhǎng)度和寬度，以此來實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)3dB的可變?cè)鲆?。?dāng)BIASl接 800mV偏壓而BIAS2和BIAS3不接偏壓時(shí)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)放大電路可以實(shí)現(xiàn)12dB的功率增益；當(dāng) BIASl和BIAS2接800mV偏壓而BIAS3不接偏壓時(shí)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)放大電路可以實(shí)現(xiàn)15dB的功 率增益；當(dāng)BIASl、BIAS2和BIAS3都接800mV偏壓時(shí)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)放大電路可以實(shí)現(xiàn)18dB的 功率增益。電容C9的作用是為了實(shí)現(xiàn)功率增益可變時(shí)輸入端更好的匹配以及較高的線性 度的要求，但電容值的選取不可太大，防止帶來過大的噪聲?？勺兺饨悠珘旱倪x擇通過外接 的數(shù)字控制裝置根據(jù)整個(gè)電路系統(tǒng)的性能要求來選定。晶體管Q7作為共源共柵的共柵器 件，把跨導(dǎo)管的電流增益轉(zhuǎn)換為電壓增益，以此來獲得功率增益。晶體管Q7的管子選擇要 在保證電流密度不過大的基礎(chǔ)上盡量少的帶來電路噪聲。由于電路的低噪聲需求，減小電 感寄生電阻帶來的噪聲，該驅(qū)動(dòng)放大器并沒有采用傳統(tǒng)的L型網(wǎng)絡(luò)匹配，而是采用LC串聯(lián) 再外接對(duì)地電容，跨導(dǎo)管只有晶體管Ql才并聯(lián)有反饋電容，即可實(shí)現(xiàn)電路的增益和噪聲性 能，而不是在晶體管Q1、Q2和Q3三個(gè)管子都并聯(lián)電容，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，從而電路的整體噪 聲會(huì)大大減小，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)放大器增益可變的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了電路的低噪聲，提高了整個(gè)射頻
5前端電路系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性。輸出端采用LC諧振網(wǎng)絡(luò)，得到高增益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的 輸出匹配。由于電路采用的是全差分結(jié)構(gòu)，所以左右兩邊電路完全相同。參閱圖3，該圖反映了本發(fā)明的SiGe BiCMOS可變?cè)鲆娴驮肼曭?qū)動(dòng)放大器的性能 結(jié)果，從圖中可以看出，功率增益分別達(dá)到了 12dB、15dB和18dB。本發(fā)明所有器件尺寸見表1。表1器件尺寸匯總
權(quán)利要求
一種可變?cè)鲆娴驮肼曭?qū)動(dòng)放大器，其特征在于該驅(qū)動(dòng)放大器包括差分信號(hào)輸入端RFIN1及RFIN2、差分信號(hào)輸出端RFOUT1及RFOUT2、第一晶體管Q1、第二晶體管Q2、第三晶體管Q3、第四晶體管Q4、第五晶體管Q5、第六晶體管Q6、第七晶體管Q7、第八晶體管Q8、第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3、第四電感L4、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第五電容C5、第六電容C6、第七電容C7、第八電容C8、第九電容C9、第十電容C10、第十一電容C11、第十二電容C12，地線端GND，具體連接方式第一晶體管Q1的基極與第三電容C3和第一電阻R1連接，發(fā)射極與地線端GND連接，集電極與第三晶體管Q3的集電極、第五晶體管Q5的集電極和第七晶體管Q7的發(fā)射極連接；第二晶體管Q2的基極與第四電容C4和第二電阻R2連接，發(fā)射極與地線端GND連接，集電極與第四晶體管Q4的集電極、第六晶體管Q6的集電極和第八晶體管Q8的發(fā)射極連接；第三晶體管Q3的基極與第五電容C5、第三電阻R3和第九電容C9連接，發(fā)射極與地線端GND連接，集電極與第一晶體管Q1的集電極、第五晶體管Q5的集電極和第七晶體管Q7的發(fā)射極連接；第四晶體管Q4的基極與第六電容C6、第四電阻R4和第十電容C10連接，發(fā)射極與地線端GND連接，集電極與第二晶體管Q2的集電極、第六晶體管Q6的集電極和第八晶體管Q8的發(fā)射極連接；第五晶體管Q5的基極與第七電容C7和第五電阻R5連接，發(fā)射極與地線GND連接，集電極與第三晶體管Q3的集電極、第五晶體管Q5的集電極和第七晶體管Q7的發(fā)射極連接；第六晶體管Q6的基極與第八電容C8和第六電阻R6連接，發(fā)射極與地線GND連接，集電極與第二晶體管Q2的集電極、第四晶體管Q4的集電極和第八晶體管Q8的發(fā)射極連接；第七晶體管Q7的基極與電源端VDD連接，發(fā)射極與第一晶體管Q1、第三晶體管Q3和第五晶體管Q5的集電極連接，集電極與第三電感L3和第十一電容C11連接；第八晶體管Q8的基極與電源端VDD連接，發(fā)射極與第二晶體管Q2、第四晶體管Q4和第六晶體管Q6的集電極連接，集電極與第四電感L4和第十二電容C12連接；第一電容C1跨接在輸入端RFIN1和地線端GND之間；第二電容C2跨接在輸入端RFIN2和地線端GND之間；第一電感L1跨接在輸入端RFIN1和第三電容C3、第五電容C5和第七電容C7之間；第二電感跨接在輸入端RFIN2和第四電容C4、第六電容C6和第八電容C8之間；第九電容C9跨接在第三晶體管Q3的基極和發(fā)射極之間；第十電容C10跨接在第四晶體管Q10的基極和發(fā)射極之間；第三電感L3跨接在第七晶體管Q7和電源端VDD之間，第四電感L4跨接在第八晶體管Q8和電源端VDD之間；第十一電容C11跨接在第七晶體管Q7和輸出端RFOUT1之間；第十二電容C12跨接在第八晶體管Q8和輸出端RFOUT2之間；第一電阻R1跨接在第一晶體管Q1的基極和第三偏壓BIAS3之間；第二電阻R2跨接在第二晶體管Q2基極和第三偏壓BIAS3之間；第三電阻R3跨接在第三晶體管Q3基極和第一偏壓BIAS1之間；第四電阻R4跨接在第四晶體管Q4基極和第一偏壓BIAS1之間；第五電阻R5跨接在第五晶體管Q5基極和第二偏壓BIAS2之間；第六電阻R6跨接在第六晶體管Q6基極和第二偏壓BIAS2之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)放大器，其特征在于所述第一晶體管Q1、第二晶體管Q2、 第三晶體管Q3、第四晶體管Q4、第五晶體管Q5、第六晶體管Q6、第七晶體管Q7、第八晶體管 Q8為鍺化硅雙極型晶體管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可變?cè)鲆娴驮肼曭?qū)動(dòng)放大器，該放大器采用全差分共源共柵結(jié)構(gòu)，共柵級(jí)采用三個(gè)并排的鍺化硅雙極型晶體管，中間的鍺化硅雙極型晶體管采用并聯(lián)電容反饋，采用合理的輸入輸出匹配電路，為電路提供一個(gè)高的可變?cè)鲆?，降低了噪聲系?shù)。其中共源共柵電路在提供高增益的同時(shí)增加了電路的反向隔離度，共源放大電路進(jìn)一步提高了電路的增益。通過控制外接偏壓的選擇獲得3dB步長(zhǎng)的可變?cè)鲆?。本發(fā)明具有可變?cè)鲆娓撸驮肼?，功耗低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03F3/45GK101944888SQ20101027662
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者劉盛富, 華林, 張書霖, 張偉, 蘇杰, 賴宗聲, 阮穎, 陳磊 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)