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CN101951230A - 一种宽带低噪声放大器 - Google Patents

一种宽带低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带低噪声放大器，该放大器包括第一级共源共栅放大电路，第二级共源放大电路，输入输出匹配电路，为电路提供一个高的增益，电流抽取电路使电路的噪声系数降低，MOS管电流源偏置电路和HBT偏置电路，偏置网络滤波电路，进一步降低电路的噪声系数。其中共源共栅电路，在提供高增益的同时增加了电路的反向隔离度，共源放大电路进一步提高了电路的增益。MOS和HBT偏置电路为共栅管和共源管提供稳定低噪声的偏置。偏置滤波电路滤除偏置上的射频信号稳定了偏置，使噪声系数减到最低。本发明可以广泛应用在GSM850，GSM900，DCS1800，PCS1900，WCDMA等现代无线通信标准中。

Description

一种宽带低噪声放大器
技术领域
本发明属于射频集成电路设计的技术领域，涉及一种集成电路中的锗化硅双极-互补金属氧化物半导体(SiGe BiCMOS)射频集成电路，具体地说是一种应用于0.8GHz-2.1GHz频段的SiGe BiCMOS工艺宽带低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器在射频微波通信系统中位于射频前端，直接与接收天线相连，其性能的好坏直接影响到整个系统的接收性能。特别是低噪声放大器的噪声系数直接影响接收机的灵敏度和误码率。
无线通信技术的飞速发展引领了新标准的不断推陈出新，用户希望能通过手中的多模终端，根据自己的需求随意地接入相应的网络进行通信，实现灵活、便捷、无限自由沟通的通信。短距离无线技术与蜂窝网技术的结合应用推动了不同场景下无线技术的发展融合。为实现2G/3G通信系统的无缝衔接，同时完整支持超高频射频识别频段的多模、多频、多应用无线收发器芯片，以实现多种无线功能的并存。工作在0.8GHz-2.1GHz的宽带低噪声放大器覆盖了目前广为使用的移动通信频段GSM850，GSM900，DCS1800，PCS1900，WCDMA等。与之前在各个频段单独使用一个窄带低噪声放大器相比大为节省成本，因此有巨大的实用空间和市场前景。
与标准的CMOS(互补金属氧化物半导体)技术相比，SiGe BiCMOS技术在低噪声放大电路中可以提供优良的性能，并且还较容易集成。SiGe BiCMOS兼有Bipolar(双极型)与CMOS工艺的特点，能同时满足射频系统性能以及低功耗的要求。
现有的无线接收机框图如图1所示，天线接收到的信号经过天线开关和声表面滤波器后进入低噪声放大器，低噪声放大器对接收到的微弱射频信号进行放大，并将放大后的信号输入到混频器，混频器对输入信号下变频后再输入到基带进行处理。本地振荡器提供正交的两路本振信号，分别在混频器与射频信号相乘，得到下变频后的IQ基带信号。
传统低噪声放大器电路图如图2所示，传统低噪声放大器由一级共源共栅连接的CMOS晶体管组成。其中M1，M2为共源共栅放大管，M3为偏置管，L1为负载电感，L2为输入匹配电感，L3为源极负反馈电感，R1，R2为偏置电阻，R3为输入匹配电阻，C1，C2位输入输出匹配电容。由于电感L1和晶体管M2寄生电容的选频作用，采用电感作负载，导致传统低噪声放大器只能作为窄带低噪声放大器，无法在一个很宽的频段范围内得到一个平坦的增益和输入输出匹配。
发明内容
本发明的目的是提供一种SiGe BiCMOS宽带低噪声放大器，该放大器可实现0.8GHz-2.1GHz频段的覆盖，支持GSM850，GSM900，DCS1800，PCS1900，WCDMA等通信协议。该宽带低噪声放大器可以达到较低的噪声系数、较高的增益以及线性度。
本发明的目的是这样实现的：
一种宽带低噪声放大器，它包括：第一异质结双极型晶体管(HBT)Q1，第二HBT Q2，第三HBT Q3，第四HBT Q4，第五HBT Q5，第六HBT Q6，第7HBT Q7，第一MOS管M1，第二MOS管M2，第三MOS管M3，第四MOS管M4，第五MOS管M5，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第一电容C1，第二电容C2，第三电容C3，第四电容C4，第五电容C5，第一电感L1，第二电感L2，第三电感L3，第一输入信号端RFIN，第一输出信号端RFOUT，第一偏置端VBIAS，其中第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第一电阻R1、第一电容C1组成第一折叠电流镜，第一MOS管M1的栅极、漏极和第二MOS管M2的栅极与第三MOS管M3的源极连接，第四MOS管M4的栅极、源极和第五MOS管M5的栅极与第二MOS管M2的漏极连接，第一电阻R1、第一电容C1并联连接与第第三MOS管的栅极连接。第一HBT Q1、第二HBT Q2构成共射共基晶体管结构，第二电阻R2为第一级负载电阻，与第二HBT的集电极相连。第二HBT Q2的基极与第三MOS管M3的栅极相连。第一HBT Q1的集电极与第五MOS管的源极相连，第四HBT Q4、第五HBT Q5、第六HBT Q6、第七HBT Q7构成第二折叠电流镜结构，第三HBT Q3的基极、集电极、第六HBTQ6的基极连接，第四HBT Q4、第五HBT Q5的基极与集电极相连构成二极管连接，第四HBT Q4的发射极与第三HBT Q3的集电极连接，第五HBT Q5的发射极与第四HBT Q4的集电极连接，第六HBT Q6的集电极与第七HBT Q7的发射极相连。第三电容C3、第三电阻R3构成并联反馈结构。第一电感L1、第二电容C2、第二电感L2组成输入匹配电路。其中第二电容C2的一端与输入信号RFIN连接，另一端与第一电感L1连接，第一电感L1的另一端与第一HBT Q1的基极连接，第五电阻R5、第四电容C4、第三电感L3构成输出匹配，其中第五电阻R5的一端与第六HBT的集电极、第七HBT的发射极连接，第五电阻R5的另一端与第四电容C4连接，第四电容的另一端与第三电感L3连接，第三电感L3另一端为第一输出信号端RFOUT。
所述第四MOS管M4、第五MOS管M5构成电流抽取电路，其中第四MOS管M4、第五MOS管M5的栅极相连，第四MOS管M4、第五MOS管M5的漏极与电源连接，第四MOS管M4的源极与第二MOS管M2的漏极相连，第五MOS管M5源极与第一HBT Q1的集电极相连。
所述数个异质结双极型晶体管(HBT)为锗化硅晶体管。
本发明结合CMOS技术和HBT的优点，所提供的该宽带低噪声放大器包括由MOS管构成的电流镜偏置电路为共基极晶体管电路提供基极偏置，由HBT晶体管构成的主放大电路，由HBT管构成的偏置电路为第二级放大管提供偏置，由电阻电容构成的电压并联负反馈电路，滤波和偏置稳定电路。
与传统的低噪声放大器相比，本发明有以下积极效果：
(1)、本发明支持多模多频输入，可支持GSM850，GSM900，DCS1800，PCS1900，WCDMA等制式的通信协议，传统的低噪声放大器大多只能在一个频段内使用。
(2)、本发明采用两级放大结构，通过电流抽取技术的应用，实现了高增益与增益平坦度。
(3)、采用SiGe BiCMOS技术，本发明实现了低噪声系数，为后级电路的设计优化提供了更高的灵活性。传统低噪声放大器一般采用CMOS工艺，由于工艺限制噪声系数较高。
附图说明
图1为无线接收机的框图
图2为传统低噪声放大器电路图
图3为本发明的电路图
图4为本发明的增益和噪声系数仿真效果图
具体实施方式
下面结合图3来说明本宽带低噪声放大器的具体实施方式。
信号通路部分：如图3所示，从天线接收到的射频信号RFIN输入到电容C2，电容C2与电感L1串连作为输入阻抗匹配电路，将天线和晶体管Q1的基极阻抗进行匹配，减小因为阻抗不匹配造成的信号发射损耗，射频信号输入到共发射极组态的第一HBT Q1后进行第一级功率放大，放大后的信号通过Q1的集电极流进Q2的发射极，在共基组态的第二HBT Q2中进行第二级放大。第一HBT Q1的发射极带有一个发射极反馈电感L2，用来增加系统的线性度。第二HBT Q2的负载为电阻R2，优化后的阻值为225欧姆，Q2的集电极通过电阻R3和电容C3的串连实现电压并联负反馈，将输出信号的一部分反馈到Q1的输入端，一方面起到展宽频带的作用，一方面有增加线性度和阻抗匹配的作用。射频信号从Q2的集电极输出到Q7的基极，Q7为共集电极组态，起到一个缓冲级的作用，信号从Q7的发射极输出后经过由R5，C4，L3组成的输出匹配网络，将射频信号输出到混频器。输出匹配电路的作用是将晶体管Q6，Q7的输出阻抗和混频器的输入阻抗进行匹配。
偏置电路部分：如图3所示，HBT Q1的基极通过电阻R4和外部偏置电压VBIAS进行偏置。MOS晶体管M1，M2，M3和电阻R1，电容C1组成的电流源电路为共基极HBT Q2提供基极偏置电压。其中电容C1起到滤出射频信号稳定偏置点的作用，容值根据工艺选择谐振到0.8G-2.1G的中点上。MOS管M4，M5组成的电流源起电流抽取作用，将Q1集电极的部分电流吸收走，有助于噪声系数的降低，增益的提高。Q3，Q4，Q5，Q6组成另一个电流源为共集电极晶体管Q7提供偏置。
结合图4可以看到本发明的增益高达25dBm，噪声系数低至1.5dBm.
整个设计的所有器件尺寸见表1.
表1器件尺寸汇总
  器件名   尺寸   器件名   尺寸
  Q1   0.24um*20um*5   L1   5.149nH
  Q2   0.24um*10um*2   L2   0.417nH
  Q3   0.24um*20um*1   L3   0.499nH
  Q4   0.24um*20um*1   R1   2Kohm
  Q5   0.24um*20um*1   R2   225ohm
  Q6   0.24um*20um*6   R3   2Kohm
  Q7   0.24um*10um*7   R4   10Kohm
  M1   9.99um/0.36um   R5   50ohm
  M2   30um/0.36um   C1   0.812pF
  M3   6um/0.36um   C2   15pF
  M4   50um/0.4um   C3   5pF
  M5   60um/0.4um   C4   13pF
在整个SiGe BiCMOS宽带低噪声放大器设计中，充分利用了BiCMOS技术的特点，用SiGeHBT代替传统的CMOS晶体管作为主放大管，大大减小了1/f噪声，从而降低了整体的噪声系数。SiGe管的电流密度远远大于CMOS管，因此大大减小了芯片面积，节约成本。
本发明的SiGe BiCMOS宽带低噪声放大器可以广泛应用在GSM850，GSM900，DCS1800，PCS1900，WCDMA等现代无线通信标准中。

Claims (3)

1.一种宽带低噪声放大器，其特征在于该放大器包括：第一异质结双极型晶体管(Q1)，第二异质结双极型晶体管(Q2)，第三异质结双极型晶体管(Q3)，第四异质结双极型晶体管(Q4)，第五异质结双极型晶体管(Q5)，第六异质结双极型晶体管(Q6)，第七异质结双极型晶体管(Q7)，第一MOS管(M1)，第二MOS管(M2)，第三MOS管(M3)，第四MOS管(M4)，第五MOS管(M5)，第一电阻(R1)，第二电阻(R2)，第三电阻(R3)，第四电阻(R4)，第五电阻(R5)，第一电容(C1)，第二电容(C2)，第三电容(C3)，第四电容(C4)，第五电容(C5)，第一电感(L1)，第二电感(L2)，第三电感(L3)，第一输入信号端RFIN，第一输出信号端RFOUT，第一偏置端VBIAS，其中：第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)、第一电阻(R1)、第一电容(C1)组成第一折叠电流镜，第一MOS管(M1)的栅极、漏极和第二MOS管(M2)的栅极与第三MOS管(M3)的源极连接，第四MOS管(M4)的栅极、源极和第五MOS管(M5)的栅极与第二MOS管(M2)的漏极连接，第一电阻(R1)、第一电容(C1)的一端并联后与第三MOS管(M3)的栅极连接；第一异质结双极型晶体管(Q1)、第二异质结双极型晶体管(Q2)构成共射共基晶体管结构，第二电阻(R2)为第一级负载电阻与第二异质结双极型晶体管(Q2)的集电极连接，第二异质结双极型晶体管(Q2)的基极与第三MOS管(M3)的栅极连接，第一异质结双极型晶体管(Q1)的集电极与第五MOS管(M5)的源极连接，第四异质结双极型晶体管(Q4)、第五异质结双极型晶体管(Q5)、第六异质结双极型晶体管(Q6)、第七异质结双极型晶体管(Q7)构成第二折叠电流镜结构，第三异质结双极型晶体管(Q3)的基极、集电极和第六异质结双极型晶体管(Q6)的基极连接，第四异质结双极型晶体管(Q4)、第五异质结双极型晶体管(Q5)的基极与集电极相连构成二极管连接，第四异质结双极型晶体管(Q4)的发射极与第三异质结双极型晶体管(Q3)的集电极连接，第五异质结双极型晶体管(Q5)的发射极与第四异质结双极型晶体管(Q4)的集电极连接，第六异质结双极型晶体管(Q6)的集电极与第七异质结双极型晶体管(Q7)的发射极连接；第三电容(C3)、第三电阻(R3)构成并联反馈结构，第一电感(L1)、第二电容(C2)、第二电感(L2)组成输入匹配电路，其中第二电容(C2)的一端与输入信号RFIN连接，另一端与第一电感(L1)连接，第一电感(L1)的另一端与第一异质结双极型晶体管(Q1)的基极连接，第五电阻(R5)、第四电容(C4)、第三电感(L3)构成输出匹配，其中第五电阻(R5)的一端与第六异质结双极型晶体管(Q6)的集电极、第七异质结双极型晶体管(Q7)的发射极连接，第五电阻(R5)的另一端与第四电容(C4)连接，第四电容(C4)的另一端与第三电感(L3)连接，第三电感(L3)另一端为第一输出信号端RFOUT。
2.根据权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于所述第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)构成电流抽取电路，其中第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)的栅极相连，第四MOS管(M4)、第MOS管(M5)的漏极与电源连接，第四MOS管(M4)的源极与第二MOS管(M2)的漏极相连，第五MOS管(M5)源极与第一异质结双极型晶体管(Q1)的集电极相连。
3.根据权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于数个异质结双极型晶体管为锗化硅晶体管。
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