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        一種用于UHF RFID閱讀器的無電感巴倫LNA設(shè)計

        2012-07-13 06:29:28寧方瀟陳曉哲張海英
        電子設(shè)計工程 2012年15期
        關(guān)鍵詞:巴倫低噪聲閱讀器

        寧方瀟,張 健,陳曉哲,楊 浩,張海英

        (中國科學(xué)院 微電子研究所,北京 100029)

        射頻識別技術(shù)(RFID)可能是自動識別的最佳選擇,RFID技術(shù)具有無線,非接觸,高數(shù)據(jù)速率,多標(biāo)簽同時識別以及長的讀寫范圍等優(yōu)勢,能夠廣泛的應(yīng)用在供應(yīng)鏈管理,過程控制,自動登記,物流管理,不停車收費等方面[1]。在國家大力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的大背景下,RFID閱讀器和標(biāo)簽的研究成為熱點。集成在一個芯片的射頻收發(fā)機和數(shù)字基帶處理部分可以大大減小閱讀器的尺寸,降低成本,并且降低系統(tǒng)功耗延長使用壽命。

        一個RFID系統(tǒng)的讀寫范圍依賴于工作頻段,閱讀器的發(fā)射功率,標(biāo)簽的靈度,標(biāo)簽的調(diào)制效率,數(shù)據(jù)速率以及閱讀器接收機的靈敏度。高靈敏度的集成射頻接收機要求低噪聲放大器有足夠的增益,低于3 dB的噪聲因子(NF),足夠大的線性度以及輸入阻抗匹配NIN=ZS。 經(jīng)典的共源共柵低噪聲放大器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用電感進(jìn)行輸入輸出阻抗匹配,在900 MHz的頻率下,匹配電感的電感值往往很大,占用大量的芯片面積。文中設(shè)計了一種無電感的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器,基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝,節(jié)省大量的芯片面積,并具有較低的噪聲,高的線性度。

        1 LNA的設(shè)計考慮

        無源UHF RFID系統(tǒng)是半雙工的系統(tǒng)[2],由于tag是無源的,需要閱讀器提供能量才能工作,采用的是后散射(backscatter)的工作模式,這就要求在閱讀器接收tag響應(yīng)的時候發(fā)射機一直工作,也就是存在一個很強的CW(連續(xù)波)信號[3],這個CW信號恰恰與我們要接收的信號工作在一個頻段上。對于UHF RFID閱讀器接收機,與其他無線接收系統(tǒng)最大的不同就在于要應(yīng)付發(fā)射機大的泄露對tag反射信號的干擾。發(fā)射機的本振泄露在5 dBm左右,這個大的干擾信號會造成接收機的飽和,惡化靈敏度。這就要求低噪聲放大器有很大的動態(tài)工作范圍和很高的輸入1-dB壓縮點。

        本設(shè)計基于ISO 18000-6協(xié)議,工作頻率為860~960 MHz,低噪聲放大器采用單端輸入的結(jié)構(gòu)可以避免使用任何外接的巴倫,但是I/Q兩路下變頻混頻器要求低噪聲放大器是差分輸出。圖1是射頻前端的結(jié)構(gòu)框圖。文中的工作是LNA的設(shè)計實現(xiàn)。

        在LBT的模式下,可調(diào)衰減器是旁通的來實現(xiàn)-90 dBm的接收機靈敏度,在talk模式下,引入可調(diào)衰減器的目的是提高系統(tǒng)的輸入1-dB壓縮點,假如衰減器能夠衰減干擾信號12 dB,那么5 dBm的泄露信號會被減弱到-7 dBm,此時只要低噪聲放大器的輸入1-dB壓縮點高于-7 dBm,那么接收機就不會由于CW信號泄露進(jìn)入飽和工作狀態(tài),從而能正常工作。不過衰減器也同時衰減了RF輸入信號,導(dǎo)致接收機靈敏度下降到-78 dBm左右 (假設(shè)tag的靈敏度是-15 dBm的話,這已經(jīng)足夠了)。

        低噪聲放大器的噪聲性能決定了系統(tǒng)的靈敏度,噪聲因子小于3 dB滿足系統(tǒng)指標(biāo)。

        2 噪聲抵消技術(shù)

        噪聲消除技術(shù)最早應(yīng)用在寬帶LNA中,對于輸入級MOSFET,噪聲主要來自溝道熱噪聲,可以用連接在漏源兩端的電流源模擬[4],圖2所示為噪聲消除技術(shù)的原理。

        圖2 噪聲消除的原理Fig.2 Noise canceling principle

        溝道電流熱噪聲 In,i的一部分 α·In,i會流過輸出節(jié)點 Y和輸入節(jié)點X,并在節(jié)點X、Y上產(chǎn)生瞬態(tài)的噪聲電壓,其中α依賴于 MOS管的輸入阻抗ZIN=1/gmi和RS的關(guān)系,0<α<1。這兩個瞬態(tài)噪聲電壓是同向的

        下角標(biāo)X,Y分別代表X、Y節(jié)點的電壓。

        另一方面,對于信號電壓其在節(jié)點X和Y上是反向的,這是因為放大管的增益AV,i<0。正是由于輸入輸出節(jié)點噪聲電壓同向而信號電壓反向,才使得消除掉輸入MOS管噪聲成為可能。如圖2所示,完成噪聲消除的方法是創(chuàng)造一個新的輸出點,將Y節(jié)點的輸出電壓與經(jīng)過反向放大的X節(jié)點電壓在此相加,反向的噪聲電壓會相互抵消,同時同向的信號電壓相加得到加強。

        兩路相加后的輸出噪聲電壓:

        其中AV是放大器的增益。希望輸出噪聲相抵消,也就是希望VOUT,n,i=0,可得噪聲相抵時反向放大器的增益大小為

        抵消噪聲后的總的增益為

        一種利用了噪聲消除的低噪放的實際結(jié)構(gòu)如圖3所示[5],輸入共柵級(CG)與共源放大級(CS)并聯(lián)完成了噪聲抵消和單端轉(zhuǎn)差分的功能。

        圖3 基本共柵共源巴倫低噪聲放大器Fig.3 Basic common-gate-common-source topology of Balun--LNA

        作為輸入級的CG管要實現(xiàn)輸入阻抗匹配,

        信號電流等于流過電阻RCG的電流,

        從上式可推得共柵級的輸入阻抗的表達(dá)式為

        聯(lián)列式(6)和式(8),那么得到共柵級的增益的表達(dá)式

        要實現(xiàn)巴倫輸出平衡的功能,CG級的輸出增益應(yīng)該與CS級的增益大小相等方向相反,即要求共源級增益

        因為輸出是兩項的差分,相等的兩噪聲項相互抵消,達(dá)到了噪聲抵消的目的。

        實際上,噪聲消除技術(shù)還能抵消非線性引起的失真,非線性的輸入電壓vin可以用Taylor級數(shù)展開:

        CG級的輸出電壓為:

        從而輸出差分電壓信號為:

        可見所有的非線性項都被抵消了。綜上分析,也就說在滿足輸出平衡的要求下,能夠同時消除晶體管的噪聲和CG輸入管引起的非線性失真,提高了噪聲性能和線性度。

        3 LNA的設(shè)計

        經(jīng)過上面的理論分析,設(shè)計的關(guān)鍵就是滿足(10)式,即要滿足下式

        低的噪聲系數(shù)需要大的,也就是說需要大的電流,于是在功耗和噪聲之間存在一個折中。因為在CMOS工藝中電阻的值的容差很大,所以采用比例電阻的方法來設(shè)計。電路的原理圖如圖4所示,偏置電路和片外匹配沒有給出,圖中的電感需要外接。

        圖4 巴倫低噪聲放大器的原理圖Fig.4 Schematic of Balun-LNA

        經(jīng)仿真分析知RCG=nRCS時噪聲性能最優(yōu),整數(shù)n大于1??紤]功耗與噪聲的折中,本設(shè)計中取n=3。所有的管子都取工藝允許的最小長度180 nm以保證管子的特征頻率最大。為了提高隔離度,在圖4的基礎(chǔ)上,首次提出增加Cascode管M3-M4,它們的柵極接電源電壓。采用Cascode結(jié)構(gòu)可以增大電路的輸出阻抗,使得負(fù)載阻抗完全有負(fù)載網(wǎng)絡(luò)決定,Cascode管還能提高穩(wěn)定性并使得放大管漏端電壓降低,減弱載流子速度飽和對放大管的影響。

        輸入匹配要求M1的輸入阻抗為50 Ω,也就是要求gm1=20 mS,電路采用交流耦合的輸入方式,輸入匹配網(wǎng)絡(luò)在片外實現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)不存在片上電感,所以電路占用的芯片面積只有 0.02 mm2。

        4 版圖和仿真結(jié)果

        低噪聲放大器的版圖如圖5所示,在版圖設(shè)計中盡量保證器件的對稱性,采用多個同樣尺寸的管子實現(xiàn)一個大尺寸管子。LNA作為接收機的第一級與輸入引腳直接相連,盡量用高層金屬以減小寄生。使用dummy電阻以減小電阻的失配。

        LNA的輸入1-dB壓縮點、噪聲因子、輸入阻抗匹配、增益的后仿真曲線如圖6所示。在860~960 MHz的頻帶內(nèi),輸入反射系數(shù)S11<-15 dB,小信號增益不小于19.2 dB,輸入1-dB壓縮點為-5.2 dBm,噪聲因子低于2.6 dB。

        LNA的總電流為8 mA,IIP3為5.9 dBm。仿真結(jié)果表明LNA實現(xiàn)了低噪聲、高線性度、寬帶的輸入匹配以及足夠的增益。

        圖5 低噪聲放大器的版圖Fig.5 Layout of the LNA

        表1 UHF RFID閱讀器射頻前端LNA性能比較Tab.1 UHF RFID Reader RF Front-end LNA performance comparison (T=27℃)

        5 結(jié) 論

        設(shè)計了一款基于TSMC 0.18μm工藝的超高頻RFID閱讀器射頻前端無電感巴倫低噪聲放大器,單端輸入差分輸出的結(jié)構(gòu)避免了外接巴倫的引入的額外損耗,通過后仿真驗證了本結(jié)構(gòu)的性能,由于利用了噪聲抵消技術(shù)所以獲得了很低的噪聲因子和很高的線性度,從而提高了射頻接收機的靈敏度,也就能提高閱讀器的可識別距離。

        [1]Klaus F,Giesecke G.RFID handbook, third edition[M].MUNICH, WILEY,2010:362-366.

        [2]Pradeep B K,Chen X S,Yan D L et al.A universal UHF RFID reader IC in 0.18-μm CMOS technology[J].IEEE J solid-state circuits,2008,43(5):1146-1155.

        [3]Ickjin K,Eo Y S,Choi K,et al.A single chip CMOS transceiver for UHF mobile RFID reader[J].IEEE J solidstate circuits,2008,43(3):729-738.

        [4]Federico B,Eric A M K,Bram N.Wide band CMOS lownoise amplifier exploiting thermal noise canceling[J].IEEE J solid-state circuits,2004,39(2):275-282.

        圖6 LNA的后仿真曲線Fig.6 Post simulated curve of LNA

        [5]Stephan C B,Eric A M K,Domine M W,et al.Wide-band balun-LNA with simultaneous outputbalancing, noise canceling and distortion-canceling[J].IEEE J solid-state circuits,2008,43(6):1341-1350.

        [6]Lou S Z,Howard C L.A linearization technique for RF receiver front-end using second order intermodulation injection[J].IEEE Jsolid-state circuits,2008,43(11):2404-2412.

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