[发明专利]一种基于CMOS的可调谐差分输入共源共栅低噪声放大器

说明书

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，采用前向体偏置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，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增大输出摆幅；偏置电路为镜像电流源，为运放晶体管提供合适的工作电压。运算放大器保证直流工作点，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，并具有较高的增益、共模抑制比、抗干扰能力，同时能提高电源电压抑制比，增大输出摆幅。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。