王 斌

(江蘇廣播電視大學(xué)江都學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225200)

一種可抑制PVT偏差影響的LNA偏置電路研究

王 斌

(江蘇廣播電視大學(xué)江都學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225200)

盡量減小制造工藝、電源電壓和溫度給集成電路帶來(lái)的偏差是現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作，現(xiàn)就這3個(gè)偏差進(jìn)行理論分析，并提出一種應(yīng)用于低噪聲放大器(LNA)PVT偏差抑制的偏置電路，同時(shí)給出相關(guān)測(cè)試結(jié)果。

PVT偏差；偏置電路；抑制

1 PVT偏差

現(xiàn)代集成電路中通常含有大量有源器件(MOS晶體管)和無(wú)源器件(電阻、電容、電感)，它們的特性都會(huì)受到PVT(Process，Voltage，Temperature)偏差的影響。Process Corner是指“工藝角”，工藝上將NMOS和PMOS晶體管的速度波動(dòng)范圍限制在由快NFET和快PFET、慢NFET和慢PFET、快NFET和慢PFET、慢NFET和快PFET 4個(gè)角所確定的矩形內(nèi)，通常左下角的corner(最小值)、中心(均值)、右上角的corner(最大值)就是集成電路仿真時(shí)所說(shuō)的SS、TT和FF工藝角，它們受到制造工藝的限制。Voltage指的是集成電路的偏置電壓，由于MOS管是電壓控制元件，所以電壓值對(duì)電路性能的影響比較大，一般在設(shè)計(jì)中不希望偏置電壓隨外電源的變化而改變。Temperature指工作環(huán)境的溫度，溫度的變化會(huì)影響載流子的遷移速度，使器件的參數(shù)產(chǎn)生改變，通常也希望建立與溫度無(wú)關(guān)的電路結(jié)構(gòu)。

PVT偏差對(duì)LNA(低噪聲放大器)性能的影響，主要體現(xiàn)在LNA的輸入和輸出阻抗失配，從而導(dǎo)致電路的增益下降和噪聲惡化。對(duì)于輸出端來(lái)說(shuō)，匹配的惡化主要是由于不同工藝角的變化使無(wú)源器件的大小偏離了標(biāo)稱值，導(dǎo)致匹配頻率點(diǎn)發(fā)生偏移；對(duì)于輸入端來(lái)說(shuō)，主要是因?yàn)榫w管的閾值電壓和載流子遷移速率隨著PVT偏差發(fā)生了變化，使電路跨導(dǎo)隨之改變，從而導(dǎo)致輸入失配。所以，在LNA的設(shè)計(jì)中必須想辦法對(duì)PVT偏差進(jìn)行有效的抑制。

2 PVT偏差的抑制方法

2.1 工藝角偏差的抑制

當(dāng)前減少工藝角偏差對(duì)電路的影響主要有2種方法：一是電路采用非最小尺寸設(shè)計(jì)，晶體管的W(寬)和L(長(zhǎng))應(yīng)大于工藝規(guī)定的最小值至少一個(gè)數(shù)量級(jí)；二是冗余設(shè)計(jì)，就是在測(cè)試芯片后根據(jù)結(jié)果再對(duì)電路進(jìn)行校正。但是在實(shí)際的LNA設(shè)計(jì)過(guò)程中，2種辦法都存在各自的問(wèn)題，第一種方法不能達(dá)到最佳尺寸，從而會(huì)嚴(yán)重影響LNA的噪聲性能；第二種方法要求電路冗余很多，這樣寄生參數(shù)會(huì)很大，電路設(shè)計(jì)困難，且成本也很高。在LNA設(shè)計(jì)中更多的是通過(guò)改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)或改善偏置的方法來(lái)彌補(bǔ)工藝角偏差對(duì)電路的影響。

2.2 電壓偏差的抑制

簡(jiǎn)單偏置源一般對(duì)外置電源有很大的依賴性，即偏置電壓(電流)與電源電壓存在一定的比例關(guān)系，實(shí)際的工作電壓會(huì)隨電源電壓變化。為了獲得與電源無(wú)關(guān)的偏置，就不能直接采用電源電壓來(lái)設(shè)計(jì)偏置電路的電壓，而要采用一些對(duì)電源不敏感的標(biāo)準(zhǔn)量。相關(guān)研究結(jié)果表明，采用自舉偏置法(也稱自偏置法)可以大大改善參考電壓同電源的不相關(guān)性，它不是通過(guò)用一個(gè)電阻接到電源來(lái)產(chǎn)生參考電流，而是依靠電流源本身的輸出電流來(lái)決定參考電流。如果這種接法形成的反饋回路具有穩(wěn)定的工作點(diǎn)，流入電路的電流與簡(jiǎn)單電阻偏置相比，受電源電壓的影響很小，其特點(diǎn)是電路具有恒定的跨導(dǎo)。具體電路如圖1所示。

圖1 跨導(dǎo)恒定偏置電路

由圖示電路分析可以得到：M1、M2形成電流鏡，M3、M4也形成電流鏡，參考電流為IREF，即流過(guò)M1的電流，直接鏡像于流過(guò)M2的電流，即輸出電流IOUT。很明顯得到IREF與IOUT是相等的。同時(shí)可以證明此時(shí)輸出電流為：

(1)

式中，K為組成電流鏡的管長(zhǎng)之比。

如果忽略晶體管有限輸出電阻的影響，則IREF和IOUT與電源電壓Vdd幾乎無(wú)關(guān)，達(dá)到消除電源電壓偏置影響的目的。此時(shí)電路中每一個(gè)晶體管的跨導(dǎo)為：

(2)

整個(gè)LNA電路的跨導(dǎo)為βgm1(β為偏置電流IREF的放大倍數(shù))。

不過(guò)上述電路的性能還是與工藝和溫度有關(guān)。同時(shí)因?yàn)樵撾娐反嬖谝粋€(gè)正反饋環(huán)路，當(dāng)電路中沒(méi)有電流時(shí)，環(huán)路穩(wěn)定使得晶體管始終不會(huì)導(dǎo)通，所以實(shí)際使用的時(shí)候要利用一個(gè)啟動(dòng)電路消除這種狀態(tài)。

2.3 溫度偏差的抑制

與溫度無(wú)關(guān)的偏置的基本工作原理是：將2個(gè)具有相反溫度系數(shù)的量以適當(dāng)?shù)臋?quán)重相加，就會(huì)獲得零溫度系數(shù)的量。一般來(lái)說(shuō)，雙極性晶體管的特性參數(shù)具有最好的重復(fù)性，并具有能提供正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的量。雙極性晶體管的基極—發(fā)射極電壓VBE或者PN結(jié)二極管的正向電壓具有負(fù)溫度系數(shù)；如果2個(gè)雙極性晶體管工作在不相等的電流密度下，那么它們的基極—發(fā)射極電壓的差值就具有正溫度系數(shù)。當(dāng)然集成度要求比較高時(shí)也可以使用MOS管來(lái)替代電路中的雙極性晶體管。利用上述的正、負(fù)溫度系數(shù)的電壓就可設(shè)計(jì)出與溫度無(wú)關(guān)的偏置，即帶隙基準(zhǔn)源。具體電路如圖2所示。

圖2 帶隙基準(zhǔn)源電壓參考電路

對(duì)電路進(jìn)行分析可以得到：晶體管M1、M2和M3的寬長(zhǎng)比相同，三者構(gòu)成一個(gè)等比例的電流鏡，運(yùn)算放大器用來(lái)鉗制晶體管M1、M2的漏極電壓，使加在電阻R1上的電壓為2三極管的基極—發(fā)射極電壓的差量?？梢宰C明流過(guò)電阻R1、三極管Q1和三極管Q2的電流為：

(3)

該電流具有正溫度系數(shù)，即PTAT電流。

(4)

這樣就形成了與溫度無(wú)關(guān)的偏置電壓，但是該電路對(duì)工藝角的變化還是比較敏感的。

3 綜合抑制PVT偏差的偏置電路

當(dāng)電路采用一個(gè)與電源無(wú)關(guān)的偏置或與溫度無(wú)關(guān)的偏置做基準(zhǔn)源時(shí)，可較好地解決電源電壓偏差和溫度偏差對(duì)低頻電路性能的影響，但卻難以抑制工藝角偏差對(duì)電路的影響。綜合考慮3方面因素，我們提出了一種可以補(bǔ)償PVT偏差對(duì)晶體管跨導(dǎo)的影響的偏置電路(圖3)。

圖3 綜合抑制PVT偏差的LNA偏置電路

圖中左起第一個(gè)虛線框內(nèi)的電路是啟動(dòng)電路；左二虛線框內(nèi)的電路是常見(jiàn)的恒定跨導(dǎo)偏置，是正溫度系數(shù)(PTAT)的電流發(fā)生器，該電流對(duì)電源電壓的變化不敏感，當(dāng)晶體管M1和M2工作在飽和區(qū)時(shí)，該P(yáng)TAT電流對(duì)電阻R1的工藝角和溫度變化較敏感，但是如果晶體管M1和M2工作在亞閾值區(qū)，PTAT電流就不會(huì)受到電阻R1的工藝角和溫度偏差影響了；右二虛線框內(nèi)的電路是閾值參考電路，該電路的輸出阻抗非常大，因此對(duì)后級(jí)負(fù)載的變化不敏感。采用該偏置方法使得電路的跨導(dǎo)保持恒定，從而可使LNA的輸入匹配不隨PVT偏差而變化；通過(guò)電阻R2的是負(fù)溫度系數(shù)(CTAT)電流發(fā)生器的電流；右一虛線框內(nèi)的電路是參考電流合成器，合成具有正溫度系數(shù)的參考電流；為了消除PVT偏差對(duì)LNA電路的影響，就要保證在任何工藝角下使用PTAT電流源對(duì)LNA進(jìn)行偏置，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R2的大小改變CTAT電流的大小，就可以使參考電流變?yōu)槟硞€(gè)剛好能補(bǔ)償載流子遷移率負(fù)溫度特性的正溫度特性電流。

對(duì)該偏置以溫度為變量進(jìn)行直流掃描分析，得到不同工藝角下與溫度和電源電壓的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 不同工藝角下與溫度和電源電壓的關(guān)系測(cè)試結(jié)果

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，同一種工藝角下不同電源電壓之間的偏置電壓相差不大，小于20 mV，而不同工藝角之間的偏置電壓相差很大，在SS和FF兩種極端工藝角之間的偏置電壓大小相差約90 mV；此外還可發(fā)現(xiàn)各種工藝角下的偏置電壓具有近似相同的微弱正溫度系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本電路較好地解決了PVT偏差對(duì)電路的影響，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1]Jindrich Windels，Christophe Van Praet，Herbert De Pauw，et al.Comparative study on the effects of PVT variations between a novel all-MOS current reference and alternative CMOS solutions[R].2009 52nd IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems，2009

[2]Paul R. Gray，Paul J. Hurst，Steven Lewis，et al.Analysis and design of analog integrated circuits[M].USA: John Wiley & Sons Inc，2001

[3]Zhang Hao，Li Zhiqun，Wang Zhigong.A wideband variable gain differential CMOS LNA for multi-stan dard wireless LAN[R].International Conference on ICMMWT，2008

2014-05-29

王斌(1973—)，男，江蘇江都人，碩士研究生，講師，研究方向：電子和計(jì)算機(jī)。