一种基于CMOS的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器的制作方法

一种基于cmos的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器
技术领域
1.本发明属于集成电路的低噪声放大器技术领域，具体地说，一种基于cmos的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器。


背景技术：

2.在栅极介质厚度不能再缩小的时代，前向体偏置是实现最佳阈值电压缩放的一种很有前途的方法。由于前向体偏置降低了信道区域的损耗宽度，从而显著降低了损耗宽度。mosfet的性能在前向体偏置和反向沟道掺杂下得到最大限度的提高，这种沟道掺杂剖面需要实现良好的短通道行为;因此，将前向体偏置与反向沟道掺杂相结合，可以将传统体硅cmos技术的尺度限制扩展到栅长10 nm的mosfet。考虑到p-n结正向偏置电流、寄生双极晶体管和cmos锁存现象，前向体偏置电压的上限应设置在0.6-0.7 v，这足以实现正向体偏置的显著优势。
3.当前，有很多种工艺技术可以应用于射频ic，如cmos工艺、bicmos工艺、双极工艺和砷化镓(gaas)工艺等。在这些技术中，由于砷化镓技术不能集成低压大规模数字ic和d/a转换器，因此不适合系统集成芯片(soc)的要求；尽管基于锗硅工艺的硅异质结器件可以用于射频电路设计，但随着特征尺寸的减小，电源电压的降低，器件的线性度退化会比较严重。当前，体硅cmos技术依然遵循摩尔定律向前发展，器件的特征尺寸不断按比例缩小，已经多次成功地挑战了对体硅cmos技术限制的预言。这不仅使数字ic的时钟频率可以达到千兆赫兹(ghz)和系统单片集成，而且使体硅cmos技术在射频ic中的应用成为可能。
4.运算放大器是模拟电路设计中用途最广、最重要的部件，具有足够高的正向增益，且负反馈时闭环传输函数与其增益几乎无关，因此被用于很多模拟电路和系统的设计中。运算放大器最主要的性能指标是有一个足够大的开环增益，以符合负反馈的概念。直观来说，长沟道、低偏置电流、多级运放电路可以实现高增益，但会产生多个极点；高单位增益带宽电路又要求短沟道、高偏置电流、单极点电路来实现。由于共源共栅结构具有频率特性好、输出电阻高、主极点由负载电容决定、在各种放大器结构中功耗最低等优点，能够在不降低增益带宽积的条件下提高电路的直流增益，从而满足各个方面的需要。
5.随着便携式无线设备和无线传感器网络的普及，对宽带和超低功耗(ulp)射频前端电路的需求不断增长。这些应用对射频前端电路的功耗施加了严格的限制，以延长电池寿命。低噪声放大器(lna)作为接收机射频前端的第一个有源块，需要同时提供宽带匹配、低噪声、高增益和适度的线性，这些都需要较高的功耗。然而，ulp接收机对lna的要求与传统的lna设计主要在噪声系数(nf)方面有所不同。这些接收器通常用于低数据速率的应用，如无线传感器网络，可以允许较高的nf和较低的灵敏度，以实现低功耗。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术的上述缺陷和需求，提出了一种基于cmos的可调谐差分输入
共源共栅低噪声放大器，包括放大器单元、阻塞电容单元和缓冲器单元；采用前向体偏置(fbb)技术来调整反馈系数，实现可调谐电路；输入级是差分结构的共源共栅放大器，有较高的增益、共模抑制比，具有很强的抗干扰能力，采用mos管做电阻，能提高电源电压抑制比；输出级采用以 n 管为负载的共源放大器，在提高增益的前提下能增大输出摆幅；偏置电路为镜像电流源结构，为运放晶体管提供合适的工作电压。运算放大器保证了直流工作点，提高了增益和次级点的频率；从而提高相位裕度，增强稳定性。与基于三极管的低噪声放大器相比，本发明可实现可调谐放大，具有较高的增益、共模抑制比、抗干扰能力，并且能提高电源电压抑制比，增大输出摆幅。
7.本发明具体实现内容如下：本发明提出了一种基于cmos的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器，接收差分输入信号，并放大处理得到输出信号；所述基于cmos的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器包括放大器单元、阻塞电容单元、缓冲器单元；所述放大器单元的输入端接收差分输入信号，输出端连接阻塞电容单元后通过阻塞电容单元与所述缓冲器单元的输入端连接，所述缓冲器单元的输入端即为所述基于cmos的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器输出输出信号的输出端。
8.为了更好地实现本发明，进一步地，所述放大器单元包括电流镜偏置模块、调谐控制模块、求值开关模块、差分输入对模块、输出负载模块；所述差分输入对模块的输入端连接差分输入信号，用于过滤差分输入信号的共模信号；所述差分输入对模块的输出端连接输出负载模块并通过输出负载模块与所述电流镜偏置模块的输入端连接；所述输出负载模块用于增大输出摆幅；所述电流镜偏置模块的输出端连接所述阻塞电容单元后与所述缓冲器单元连接，用于提供需要的工作电压；所述求值开关模块搭接在所述差分输入对模块上；所述调谐控制模块的分别与输出负载模块、电流镜偏置模块和阻塞电容单元连接。
9.为了更好地实现本发明，进一步地，所述差分输入对模块包括mos管q7和mos管q8；所述mos管q7的栅极和mos管q8的栅极分别对应连接差分输入信号vin 和差分输入信号vin-；所述mos管q7的源极和mos管q8的源极分别与所述求值开关模块连接；所述mos管q7的漏极和mos管q8的漏极分别与所述输出负载模块连接；所述mos管q7的衬底和mos管q8的衬底接地。
10.为了更好地实现本发明，进一步地，所述输出负载模块包括mos管q5和mos管q6；所述mos管q5的源极与所述mos管q7的漏极连接，所述mos管q5的衬底接地，mos管q5的漏极与所述电流镜偏置模块连接；所述mos管q5的栅极与所述mos管q6的栅极连接；所述mos管q6的源极与所述mos管q8的漏极连接，所述mos管q6的衬底接地，mos管q6的漏极与所述电流镜偏置模块连接。
11.为了更好地实现本发明，进一步地，所述电流镜偏置模块包括直流电压源v1、电路负载rl1、mos管q1、mos管q2、mos管q3、mos管q4；所述mos管q1的源极连接所述mos管q3的漏极连接，所述mos管q3的源极与所述mos管q5的漏极连接，mos管q3的栅极与mos管q4的栅极连接；所述mos管q2的源极连接所述mos管q4的漏极连接，所述mos管q4的源极与所述mos
管q6的漏极连接后作为电流镜偏置模块的输出端与所述阻塞电容单元连接；所述mos管q1的漏极、mos管q1的衬底、mos管q3的衬底、mos管q2的漏极、mos管q2的衬底、mos管q4的衬底都与所述电路负载rl1连接，并通过电路负载rl1与所述直流电压源v1的正极连接，所述直流电压源v1的负极接地；所述mos管q1的栅极、mos管q2的栅极、mos管q5的漏极连接在一起后与调谐控制模块连接，在所述阻塞电容单元和mos管q4的源极与所述mos管q6的漏极之间搭接支路与所述调谐控制模块连接。
12.为了更好地实现本发明，进一步地，所述调谐控制模块包括直流电压源v3、调谐控制管q10、电路负载rl3、电容c1；所述调谐控制管q10的漏极与mos管q5的漏极连接，调谐控制管q10的源极接地，调谐控制管q10的栅极与所述电容c1连接并通过电容c1搭接在所述电流镜偏置模块和阻塞电容单元之间；所述调谐控制管q10的衬底连接电路负载rl3后与所述直流电压源v3的正极连接；所述直流电压源v3的负极接地。
13.为了更好地实现本发明，进一步地，所述求值开关模块包括mos管q9、直流电压源v2、电路负载rl2；所述mos管q9的漏极分别连接mos管q7的源极和mos管q8的源极；所述mos管q9的衬底和源极连接电路负载rl2后接地；所述mos管q9的栅极与所述直流电压源v2的正极连接，所述直流电压源v2的负极接地。
14.为了更好地实现本发明，进一步地，所述缓冲器单元包括mos管q11、直流电压源v4、直流电压源v5、直流电压源v6、电路负载rl4、电路负载rl5；所述mos管q11的栅极连接阻塞电容单元，mos管q11的源极接地，mos管q11的漏极作为所述基于cmos的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器的输出端用于输出输出信号；所述mos管q11的漏极还与电路负载rl5连接，并通过电路负载rl5连接直流电压源v5的正极；所述直流电压源v5的负极接地；所述mos管q11的衬底连接直流电压源v6的正极，并通过直流电压源v5的负极接地；所述直流电压源v4的负极接地，正极连接电路负载rl4后通过电路负载rl4搭接在所述mos管q11的栅极上。
15.为了更好地实现本发明，进一步地，所述阻塞电容单元采用电容c2。
16.为了更好地实现本发明，进一步地，mos管都采用ibm 0.13um 1p8m cmos技术设置。
17.本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：本发明公开一种基于cmos的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器，本发明采用前向体偏置(fbb)技术来调整反馈系数，实现可调谐电路；输入级是差分结构的共源共栅放大器，有较高的增益、共模抑制比，具有很强的抗干扰能力，采用mos管做电阻，能提高电源电压抑制比；输出级采用以 n 管为负载的共源放大器，在提高增益的前提下能增大输出摆幅；偏置电路为镜像电流源结构，为运放晶体管提供合适的工作电压。运算放大器保证了直流工作点，提高了增益和次级点的频率；从而提高相位裕度，增强稳定性；本发明中电路包括放大器单元、阻塞电容、缓冲器单元。与基于三极管的低噪声放大器相比，本发明可实现可调谐，具有较高的增益、共模抑制比、抗干扰能力，并且能提高电源电压抑制比，增大输出
摆幅。
附图说明
18.图1为本发明具体电路原理示意图。
具体实施方式
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
21.实施例1：本实施例提出了一种基于cmos的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器，接收差分输入信号，并放大处理得到输出信号；所述基于cmos的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器包括放大器单元、阻塞电容单元、缓冲器单元；所述放大器单元的输入端接收差分输入信号，输出端连接阻塞电容单元后通过阻塞电容单元与所述缓冲器单元的输入端连接，所述缓冲器单元的输入端即为所述基于cmos的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器输出输出信号的输出端。
22.进一步地，所述放大器单元包括电流镜偏置模块、调谐控制模块、求值开关模块、差分输入对模块、输出负载模块；所述差分输入对模块的输入端连接差分输入信号，用于过滤差分输入信号的共模信号；所述差分输入对模块的输出端连接输出负载模块并通过输出负载模块与所述电流镜偏置模块的输入端连接；所述输出负载模块用于增大输出摆幅；所述电流镜偏置模块的输出端连接所述阻塞电容单元后与所述缓冲器单元连接，用于提供需要的工作电压；所述求值开关模块搭接在所述差分输入对模块上，用于控制差分输入对的工作与否；所述调谐控制模块的分别与输出负载模块、电流镜偏置模块和阻塞电容单元连接。
23.工作原理：本发明采用前向体偏置(fbb)技术来调整反馈系数，实现可调谐电路；输入级是差分结构的共源共栅放大器，有较高的增益、共模抑制比，具有很强的抗干扰能力，采用mos管做电阻，能提高电源电压抑制比；输出级采用以 n 管为负载的共源放大器，在提高增益的前提下能增大输出摆幅；偏置电路为镜像电流源结构，为运放晶体管提供合适的工作电压。运算放大器保证了直流工作点，提高了增益和次级点的频率；从而提高相位裕度，增强稳定性；本发明中电路包括放大器单元、阻塞电容、缓冲器单元。与基于三极管的低噪声放大器相比，本发明可实现可调谐，具有较高的增益、共模抑制比、抗干扰能力，并且能提高电源电压抑制比，增大输出摆幅。
24.实施例2：本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，如图1所示，所述差分输入对模块包括mos管q7和mos管q8；所述mos管q7的栅极和mos管q8的栅极分别对应连接差分输入信号vin 和差分输入信号vin-；所述mos管q7的源极和mos管q8的源极分别与所述求值开关模块连接；所述mos管q7的漏极和mos管q8的漏极分别与所述输出负载模块连接；所述mos管q7的衬底和mos管q8的衬底接地。
25.所述输出负载模块包括mos管q5和mos管q6；所述mos管q5的源极与所述mos管q7的漏极连接，所述mos管q5的衬底接地，mos管q5的漏极与所述电流镜偏置模块连接；所述mos管q5的栅极与所述mos管q6的栅极连接；所述mos管q6的源极与所述mos管q8的漏极连接，所述mos管q6的衬底接地，mos管q6的漏极与所述电流镜偏置模块连接。
26.所述电流镜偏置模块包括直流电压源v1、电路负载rl1、mos管q1、mos管q2、mos管q3、mos管q4；所述mos管q1的源极连接所述mos管q3的漏极连接，所述mos管q3的源极与所述mos管q5的漏极连接，mos管q3的栅极与mos管q4的栅极连接；所述mos管q2的源极连接所述mos管q4的漏极连接，所述mos管q4的源极与所述mos管q6的漏极连接后作为电流镜偏置模块的输出端与所述阻塞电容单元连接；所述mos管q1的漏极、mos管q1的衬底、mos管q3的衬底、mos管q2的漏极、mos管q2的衬底、mos管q4的衬底都与所述电路负载rl1连接，并通过电路负载rl1与所述直流电压源v1的正极连接，所述直流电压源v1的负极接地；所述mos管q1的栅极、mos管q2的栅极、mos管q5的漏极连接在一起后与调谐控制模块连接，在所述阻塞电容单元和mos管q4的源极与所述mos管q6的漏极之间搭接支路与所述调谐控制模块连接。
27.所述调谐控制模块包括直流电压源v3、调谐控制管q10、电路负载rl3、电容c1；所述调谐控制管q10的漏极与mos管q5的漏极连接，调谐控制管q10的源极接地，调谐控制管q10的栅极与所述电容c1连接并通过电容c1搭接在所述电流镜偏置模块和阻塞电容单元之间；所述调谐控制管q10的衬底连接电路负载rl3后与所述直流电压源v3的正极连接；所述直流电压源v3的负极接地。
28.所述求值开关模块包括mos管q9、直流电压源v2、电路负载rl2；所述mos管q9的漏极分别连接mos管q7的源极和mos管q8的源极；所述mos管q9的衬底和源极连接电路负载rl2后接地；所述mos管q9的栅极与所述直流电压源v2的正极连接，所述直流电压源v2的负极接地。
29.所述缓冲器单元包括mos管q11、直流电压源v4、直流电压源v5、直流电压源v6、电路负载rl4、电路负载rl5；所述mos管q11的栅极连接阻塞电容单元，mos管q11的源极接地，mos管q11的漏极作为所述基于cmos的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器的输出端用于输出输出信号；所述mos管q11的漏极还与电路负载rl5连接，并通过电路负载rl5连接直流电压源v5的正
极；所述直流电压源v5的负极接地；所述mos管q11的衬底连接直流电压源v6的正极，并通过直流电压源v5的负极接地；所述直流电压源v4的负极接地，正极连接电路负载rl4后通过电路负载rl4搭接在所述mos管q11的栅极上。
30.所述阻塞电容单元采用电容c2。
31.工作原理：本实例结构具体分为三部分：放大器、阻塞电容、缓冲器。在放大器中，核心为差分输入对mos管q7、mos管q8，还有调谐控制管q10；差分输入对过滤了共模信号，从而减小了电路中的噪声，并且放大了输入的差模信号，有较高的增益、共模抑制比，具有很强的抗干扰能力；通过控制调谐控制管q10的衬底上加的偏置电压来改变电路的反馈，实现调谐；mos管q1、mos管q2、mos管q3、mos管q4、构成了电流镜偏置电路，为运放晶体管提供合适的工作电压；mos管q6作为输出负载可以在提高增益的前提下增大输出摆幅；阻塞电容c2用于放大器和缓冲器之间的直流阻塞。缓冲器可以将不同的电路隔离或分离开，具有极高输入电阻和极低输出电阻，降低电压噪声。在差分输入电路和缓冲器的共同作用下，本发明实现了低噪声放大功能。
32.本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
33.实施例3：本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，本发明所述的基于cmos的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器，采用前向体偏置(fbb)技术，通过在调谐控制管的衬底上加偏压来调整反馈系数，实现可调谐的功能，本发明中晶体管均采用ibm 0.13um 1p8m cmos技术。
34.本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
35.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。