專利名稱：大跨導(dǎo)高效率rf cmos放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬M(fèi)OS放大器技術(shù)領(lǐng)域。具體地說，本發(fā)明與跨導(dǎo)得到改善的MOS放大器技術(shù)有關(guān)。
對便攜式無線通信系統(tǒng)的需求增加了人們對便攜式RF收發(fā)機(jī)的注意。包括蜂窩系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、雷達(dá)等的無線通信通常需使用低噪聲接收機(jī)。已經(jīng)化費(fèi)了相當(dāng)大的力量來開發(fā)更加靈敏的接收機(jī)。
晶體管放大器一直是以提高工作頻率為重點(diǎn)穩(wěn)步地得到了改進(jìn)。除了低噪聲RF放大器外，通常還用平衡混頻器來將RF變換成IF。平衡工作提供了對本機(jī)振蕩器信號(hào)的振幅噪聲約為20dB的抗擾性。對于典型的中頻30至60MHz來說，IF前置放大器的中頻噪聲系數(shù)為1.5至2dB。
細(xì)線CMOS處理工藝為RF IC應(yīng)用提供了相當(dāng)好的前景。在設(shè)計(jì)RF放大器中，希望能低功率工作，這正是CMOS技術(shù)吸引人的特點(diǎn)之一。一種典型的CMOS電路應(yīng)用可以使在待用狀態(tài)的維持功率非常低。電路中只是在狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)才有電流流過。對于n溝道器件載流子是電子，而對于p溝道器件載流子是空穴。在一個(gè)MOS晶體管中有四個(gè)分開的區(qū)域或接線端源極、漏極、柵極和基片。在普通工作情況下，源極、漏極和柵極相對基片的電壓對于n溝道器件是正的，而對于p溝道器件是負(fù)的。
因此，有必要為CMOS收發(fā)機(jī)開發(fā)用電效高、成本低的IC實(shí)現(xiàn)的前端高頻電路。
本發(fā)明提供了一種跨導(dǎo)得到改善的RF IC器件。這種器件包括一個(gè)具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極的第一導(dǎo)電型的第一有源器件，以及一個(gè)具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極的第二導(dǎo)電型的第二有源器件。第二有源器件與第一有源器件串聯(lián)。第一有源器件的柵極與第二有源器件的柵極連接。一個(gè)電流復(fù)用電路接到第一有源器件和第二有源器件，使得從第一有源器件的漏極流出的電流再在第二有源器件中使用。因此，在不增加使用電流和不增加噪聲的情況下提高了跨導(dǎo)。
本發(fā)明還提出了一種跨導(dǎo)改善了的RF LNA IC和一種跨導(dǎo)改善了的RF混頻器。
通過以下結(jié)合附圖所作的說明可以對本發(fā)明有更完全的理解。在這些附圖中

圖1為本發(fā)明所提出的兩極RF LNA的原理圖；圖2為本發(fā)明所提出的RF混頻器的原理圖；圖3為所測得的IC LNA增益|S21|和|S12|的頻率特性圖；以及圖4為所測得的IC混頻器的IF輸出頻譜圖。
雖然本發(fā)明特別適用于900Mhz CMOS低噪聲的放大器(LNA)和混頻器，而且將結(jié)合這種應(yīng)用進(jìn)行說明，但在此所揭示的方法和裝置也可用于需要改善跨導(dǎo)而又不增加功耗的其他CMOS電路。
圖1示出了本發(fā)明所提出的一個(gè)兩級(jí)RF LNA的原理圖。這個(gè)RFLNA由第一級(jí)10和第二級(jí)20組成。第二級(jí)中的與第一級(jí)中相同的元件標(biāo)記為同樣的編號(hào)，因?yàn)檫@兩級(jí)的工作情況相同。第一級(jí)10包括三個(gè)nMOS器件M2、M4和M5，四個(gè)pMOS器件M1、M3、M6和M7，一個(gè)電阻RX，兩個(gè)電容CB和CX，以及一個(gè)電流源IB1。器件M2和M1的柵極接在一起，標(biāo)為VA。M2的源極和電流源IB1都接到電源VDD上。M2的漏極與這級(jí)的輸出端VOUT1、M1的漏極和RX的一端。電容CB接在M3的源極和漏極之間。M3的源極接到VGND上。M3的漏極與M1的源極連接。RX的另一端與M4的柵極連接。電容CX接在M4的柵極和VGND之間。電流源IB1的輸出端接到M4的源極和M5的源極。M4的漏極接到M6的漏極和柵極。M6的源極接到VGND上。M5的漏極接到M7的漏極和柵極。M3的柵極與M7的柵極連接。
外圍網(wǎng)絡(luò)NS和NL分別使LNA的輸入和輸出端口與50Ω匹配。這個(gè)LNA采用兩個(gè)跨導(dǎo)放大級(jí)的級(jí)聯(lián)。這種兩級(jí)結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是比單級(jí)結(jié)構(gòu)具有更好的LNA反向隔離性能。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是簡化了輸入和輸出端口匹配的解耦。RF信號(hào)加到VRF上，驅(qū)動(dòng)第一級(jí)的MOS器件M1和M2的柵極。由于在LNA的輸出端和混頻器的RF輸入端之間通常都接有一個(gè)外圍的鏡象抑制濾波器，因此LNA的輸出能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)50Ω的負(fù)載電阻RL。
由于第一級(jí)和第二級(jí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同，因此在此只對第一級(jí)(單級(jí))的工作情況進(jìn)行說明。如圖1所示，器件M1和M2配置成使這一級(jí)的跨導(dǎo)gm為gm1+gm2(gm1為M1的跨導(dǎo)，gm2為M2的跨導(dǎo))。電容CB使M1的源極在高頻時(shí)旁路接地。由于M1的漏極電流在M2內(nèi)再次得到利用，所以gm增大而電流消耗并不增大，這與單由M1或M2組成的共源極放大器正相反。偏壓反饋放大器將這級(jí)的直流輸出電壓VOUT1設(shè)置為偏壓基準(zhǔn)VB1。器件M3、M4、M5、M6和M7將偏置電流引入器件M1和M2。偏流基準(zhǔn)IREF和由器件M8和M2構(gòu)成的電流反射鏡建立器件M1和M2的所需偏流。偏置反饋環(huán)路由一個(gè)RX和CX組成的低通濾波器閉合。這個(gè)低通濾波器提供了從VOUTI取得的直流輸出電壓VX1。這個(gè)濾波器所形成的低頻極點(diǎn)控制了偏置反饋放大器環(huán)路的傳輸，使這個(gè)環(huán)路具有較高的相位裕度。第一級(jí)的輸出端與第二級(jí)的輸入端之間采用直接耦合。偏壓基準(zhǔn)VB1決定了第一級(jí)的直流輸出電壓VOUT，因此也就決定了第二級(jí)的輸入電壓，從而確定了第二級(jí)的偏流。第二級(jí)的偏置反饋放大器將直流輸出電壓VOUT2設(shè)置為偏壓基準(zhǔn)VB2。圖中，VA為第一級(jí)的直流輸入電壓，由IREF確定，而VB1＝VB2＝VA。電阻RB和RX選得足夠大，以防有顯著的輸入和輸出加載。
圖2示出了本發(fā)明所提出的混頻器的原理圖?；祛l器30包括四個(gè)nMOS器件M13、M14、M19和M20，五個(gè)pMOS器件M11、M12、M13、M17和M21，四個(gè)電阻RX1、RX2、RB1和RB2，一個(gè)電容CX，以及二個(gè)電流源IB和IREF。M11的柵極接到M14的柵極和VLO1上。M18的柵極與M18的漏極連接。電流源IREF接在M18的漏極和地VGND之間。電阻RB1接在M16的柵極和M18的柵極之間。M16的漏極接到M13的源極和M14的源極。M13的漏極與M11的漏極連接。M14的漏極與M12的漏極連接。M11的源極和M12的源極都接到M15的漏極。M15的源極接到VGND上。RX1接在M14的漏極和M19的柵極之間。M19的柵極上的電壓為VX。RX2接在M11的漏極和M19的柵極之間。CX接在M19的柵極和VGND之間。M11的漏極接到VOUT2上。M14的漏極接到VOUT1上。電流源IB接到M19的源極和M20的源極。M19的漏極接到M21的漏極和M21的柵極。M20的漏極接到M17的漏極和M17的柵極。RB2接在M15的柵極和M17的柵極之間。M17的源極、M21的源極和M15的源極都接到VGND上。
外圍網(wǎng)絡(luò)Ns使混頻器的RF端口與50Ω匹配。RF輸入加到VRF上，驅(qū)動(dòng)VRF1和VFR2同相地加到M15和M16的柵極。如圖2所示，器件M15和M16配置成一個(gè)跨導(dǎo)放大器，其跨導(dǎo)gm為gm15+gm16(gm15為M15的跨導(dǎo)，而gm16為M16的跨導(dǎo))?；祛l器放大器采用了設(shè)計(jì)LNA級(jí)的設(shè)計(jì)原則，使gm增大而漏極電流復(fù)用，因此避免了為了增大gm而電流消耗增大的現(xiàn)象。交叉連接的M11、M12、M13和M14組成了一個(gè)主混頻單元，由來自本機(jī)振蕩器(LO)的差動(dòng)輸入VLO1和VLO2驅(qū)動(dòng)。器件M15和M16的漏極電流根據(jù)LO的相位通過器件M11和M13或者通過器件M12和M14。當(dāng)加有輸入VRF時(shí)，M15和M16的漏極電流相差gmVRF。這個(gè)差電流由混頻單元斬波，于是在泥頻器的輸出端口VOUT1和VOUT2就得到所要求的IF電流。高阻抗的混頻器輸出可以驅(qū)動(dòng)外圍的一個(gè)高阻抗IF濾波器。
這個(gè)混頻器的偏置情況與前面所述的LNA級(jí)相同。共模反饋放大器將混頻器的直流共模輸出電平VX置為偏壓基準(zhǔn)VB。差動(dòng)對和電流反射鏡由MOS器件M15、M17、M19、M20和M21組成，將偏流引入混頻單元。偏流基準(zhǔn)IREF和由MOS器件M18和M16組成的電流反射鏡在混頻單元內(nèi)建立所需的偏流。由RX1/RX2和Cx組成的低通濾波器閉合了反饋環(huán)路，從輸出VOUT1和VOUT2得出直流共模電平。電阻RB1、RB2、RX1和RX2都選得充分大，以防有顯著的輸入和輸出加載。
圖3示出了測得的LNA正向和反向增益值|S21|和|S12|的頻率特性。
圖4示出了在一個(gè)頻率為899.5MHz和900.5MHz的雙頻RF輸入與頻率為1GHz的LO信號(hào)混頻的情況下測得的混頻器IF輸出的頻譜。RF功率電平每個(gè)頻率為29dBm，而LO功率電平為0dBm。
以上LNA和混頻器都采用在輸入和輸出端口外接耦合電容的方案。所制造的器件按TQFP程序測量，按0.5μm CMOS工藝制造。LNA IC的有效區(qū)為0.7mm×0.4mm，而LNA IC混頻器的有效區(qū)為0.7mm×0.2mm。
對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員來說，由以上說明可以看到本發(fā)明有許多雷同的實(shí)施方式。因此，以上說明只是示例性的，用來向熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員說明實(shí)施本發(fā)明的最佳方式。
結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)可按本發(fā)明的精神充分加以改變，這都屬于所附權(quán)利要求所規(guī)定的本發(fā)明專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種跨導(dǎo)得到改善的RFIC器件，所述器件包括一個(gè)具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極的第一導(dǎo)電型的第一有源器件；一個(gè)具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極的第二導(dǎo)電型的第二有源器件，所述第二有源器件與所述第一有源器件串聯(lián)，所述第二有源器件的柵極與所述第一有源器件的柵極連接；以及一個(gè)接到所述第一有源器件和所述第二有源器件的電流復(fù)用電路，用來使從所述第一有源器件的漏極流出的電流再在所述第二有源器件中使用，從而在不增加使用電流和不增加噪聲的情況下提高了跨導(dǎo)。
2.如在權(quán)利要求1中所述的器件，其中所述第一有源器件是一個(gè)nMOS器件。
3.如在權(quán)利要求1中所述的器件，其中所述第二有源器件是一個(gè)pMOS器件。
4.如在權(quán)利要求1中所述的器件，其中所述電流復(fù)用電路將電流引入所述第一有源器件和所述第二有源器件。
5.如在權(quán)利要求1中所述的器件，其中所述電流復(fù)用電路還包括一個(gè)電流反射鏡和一個(gè)偏流基準(zhǔn)電流，用來為所述第一有源器件和所述第二有源器件設(shè)置偏流。
6.如在權(quán)利要求1中所述的器件，所述器件還包括一個(gè)接在所述電流復(fù)用電路與所述第一有源器件的漏極和所述第二有源器件的漏極之間的低通濾波器。
7.如在權(quán)利要求1中所述的器件，所述器件還包括一個(gè)從所述第一有源器件的源極接到一個(gè)第一電壓的電位的電容。
8.一種跨導(dǎo)得到改善的RF LNA IC器件，所述器件包括一個(gè)具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極的第一導(dǎo)電型的第一有源器件；一個(gè)具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極的第二導(dǎo)電型的第二有源器件，所述第二有源器件與所述第一有源器件串聯(lián)，所述第二有源器件的柵極與所述第一有源器件的柵極連接；以及一個(gè)接到所述第一有源器件和所述第二有源器件的電流復(fù)用電路，用來使從所述第一有源器件的漏極流出的電流再在所述第二有源器件中使用，從而在不增加使用電流和不增加噪聲的情況下提高了跨導(dǎo)。
9.如在權(quán)利要求8中所述的器件，其中所述第一有源器件是一個(gè)nMOS器件。
10.如在權(quán)利要求8中所述的器件，其中所述第二有源器件是一個(gè)pMOS器件。
11.如在權(quán)利要求8中所述的器件，其中所述電流復(fù)用電路將電流引入所述第一有源器件和所述第二有源器件。
12.如在權(quán)利要求8中所述的器件，其中所述電流復(fù)用電路還包括一個(gè)電流反射鏡和一個(gè)偏流基準(zhǔn)電流，用來為所述第一有源器件和所述第二有源器件設(shè)置偏流。
13.如在權(quán)利要求8中所述的器件，所述器件還包括一個(gè)接在所述電流復(fù)用電路與所述第一有源器件的漏極和所述第二有源器件的漏極之間的低通濾波器。
14.如在權(quán)利要求8中所述的器件，所述器件還包括一個(gè)從所述第一有源器件的源極接到一個(gè)第一電壓的電位的電容。
15.一種跨導(dǎo)得到改善的RF混頻器件，所述器件包括一個(gè)具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極的第一導(dǎo)電型的第一有源器件；一個(gè)具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極的第二導(dǎo)電型的第二有源器件，所述第二有源器件與所述第一有源器件串聯(lián)，所述第二有源器件的柵極與所述第一有源器件的的柵極連接；以及一個(gè)接到所述第一有源器件和所述第二有源器件的電流復(fù)用電路，用來使從所述第一有源器件的漏極流出的電流再在所述第二有源器件中使用，從而在不增加使用電流和不增加噪聲的情況下提高了跨導(dǎo)。
16.如在權(quán)利要求15中所述的器件，其中所述第一有源器件是一個(gè)nMOS器件。
17.如在權(quán)利要求15中所述的器件，其中所述第二有源器件是一個(gè)pMOS器件。
18.如在權(quán)利要求15中所述的器件，其中所述電流復(fù)用電路將電流引入所述第一有源器件和所述第二有源器件。
19.如在權(quán)利要求15中所述的器件，其中所述電流復(fù)用電路還包括一個(gè)電流反射鏡和一個(gè)偏流基準(zhǔn)電流，用來為所述第一有源器件和所述第二有源器件設(shè)置偏流。
20.如在權(quán)利要求15中所述的器件，所述器件還包括一個(gè)接在所述電流復(fù)用電路與所述第一有源器件的漏極和所述第二有源器件的漏極之間的低通濾波器。
全文摘要
一種跨導(dǎo)得到改善的RFIC包括一個(gè)具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極的第一導(dǎo)電型的第一有源器件，以及一個(gè)具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極的第二導(dǎo)電型的第二有源器件。第二有源器件與第一有源器件串聯(lián)連接。第一有源器件的柵極與第二有源器件的柵極連接。一個(gè)電源復(fù)用電路接到第一有源器件和第二有源器件上，使得從第一有源器件的漏極流出的電源再在第二有源器件中使用。因此，在不增加使用電流和不增加噪音的情況下提高了跨導(dǎo)。
文檔編號(hào)H03F3/193GK1162864SQ9710235
公開日1997年10月22日 申請日期1997年1月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月30日
發(fā)明者安德魯·N·卡拉尼考拉斯 申請人:朗迅科技公司