易禮智，龔 亮

(湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151)

低功耗高線性度超寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)*

易禮智，龔 亮

(湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151)

提出了一種具有低功耗、高線性度、高增益、低噪聲的放大器.該電路采用共柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輸入匹配，正向襯底偏置技術(shù)與電流復(fù)用技術(shù)降低功耗，后失真技術(shù)提升線性度.實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器在低功耗條件下各方面性能良好.

低功耗；超寬帶；低噪聲放大器；正向襯底偏置；電流復(fù)用

自從美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)開(kāi)放3.1～10.6 GHz頻帶以來(lái)，超寬帶(UWB)技術(shù)一直是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)[1-3].這種技術(shù)具有低功耗、高數(shù)據(jù)傳輸速率(通常大于1 GB/s)、抗干擾能力強(qiáng)、頻譜利用率高以及系統(tǒng)容量大等優(yōu)點(diǎn)[4-6].筆者提出了一種新型的UWB LNA設(shè)計(jì)方案，采用2級(jí)級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在第1級(jí)采用共柵結(jié)構(gòu)的放大器實(shí)現(xiàn)寬帶輸入匹配，第2級(jí)采用共源結(jié)構(gòu)的放大器提升低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，簡(jiǎn)稱LNA)的增益.為了降低整個(gè)電路的功耗，采用正向襯底偏置技術(shù)來(lái)降低電源電壓，采用電流復(fù)用技術(shù)來(lái)降低電流，從而降低電路的功耗，同時(shí)采用并-串峰值技術(shù)來(lái)拓寬電路的3 dB帶寬.

1 電路設(shè)計(jì)及分析

圖1 提高線性度低功耗超寬帶LNA電路

1.1電路結(jié)構(gòu)

高線性度低功耗超寬帶LNA采用0.18 μm RF CMOS工藝，且整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了全集成.該LNA電路采用共柵級(jí)與共源級(jí)級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在輸入級(jí)采用共柵結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)楣矕沤Y(jié)構(gòu)具有較好的寬帶輸入匹配特性，且噪聲系數(shù)比較低.但是，由于共柵結(jié)構(gòu)放大器的功率增益一般都比較低，不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此該電路的第2級(jí)采用共源結(jié)構(gòu)提升LNA的增益.為了避免第2級(jí)消耗額外的電流，采用電流復(fù)用技術(shù)，即讓第1級(jí)與第2級(jí)電路共用一路電流，這樣可以降低整個(gè)電路消耗的電流，從而降低電路的功耗.為了降低電路的工作電壓，該LNA電路中運(yùn)用正向襯底偏置技術(shù)，即通過(guò)在MOS管的襯底上施加正向電壓信號(hào)，從而降低MOS管的閾值電壓.在超寬帶范圍內(nèi)，線性度對(duì)于LNA電路是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，采用后失真技術(shù)來(lái)提升電路的線性度.

1.2輸入匹配分析

輸入匹配實(shí)現(xiàn)LNA最大功率傳輸和最小反射損耗，對(duì)于超寬帶LNA的輸入匹配設(shè)計(jì)，在超寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配并非易事.文中設(shè)計(jì)的LNA電路采用的是共柵輸入匹配，通過(guò)合理設(shè)置共柵管M1的尺寸以及偏置電流實(shí)現(xiàn)寬帶范圍內(nèi)的輸入匹配.此外，共柵輸入結(jié)構(gòu)還具有良好的線性度和隔離性.基于以上原因，選用共柵輸入匹配結(jié)構(gòu)，以小信號(hào)等效電路對(duì)低噪聲放大器的輸入匹配進(jìn)行分析，共柵輸入級(jí)及其小信號(hào)等效電路見(jiàn)圖2.

圖2 LNA的輸入匹配電路及其小信號(hào)等效電路

圖2中，Vs表示信號(hào)源，Rs表示信號(hào)源的阻抗，Zin表示低噪聲放大器的輸入阻抗，Zin2表示低噪聲放大器第2級(jí)電路的輸入阻抗，Ls表示源極電感，ZL表示第2級(jí)共源級(jí)電路的等效負(fù)載阻抗，Cta與Ctb分別表示圖2a中a點(diǎn)的總電容以及b點(diǎn)的總電容，ro1表示MOS管M1的輸出阻抗，gm1為M1的跨導(dǎo)，Vgs1表示M1的柵極與源極之間的電壓.低噪聲放大器的輸入阻抗可以表示為

(1)

由于MOS管的輸出阻抗ro1比電路的負(fù)載阻抗大得多，因此有

當(dāng)頻率比較低時(shí)，反饋電感和寄生電容對(duì)輸入阻抗Zin的影響很小，此時(shí)的輸入阻抗主要是由gm1決定.隨著頻率的逐漸升高，寄生電容和連接在a點(diǎn)和b點(diǎn)間的電容對(duì)輸入阻抗的影響開(kāi)始增大，在a點(diǎn)接入源極反饋電感Ls，與a點(diǎn)的總電容Cta發(fā)生諧振，在漏極接入Ld和Lg，與b點(diǎn)總的電容Ctb發(fā)生諧振，消除了輸入阻抗中的大部分容抗，使高頻響應(yīng)得到了補(bǔ)償.由于gm1?ωCta，因此有

(2)

把(2)式代入(1)式可得

(3)

由(3)式可知，通過(guò)調(diào)整MOS管的尺寸和偏置電流，可以使M1的跨導(dǎo)gm1的值近似等于20 mS.但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，信號(hào)源阻抗Rs的存在往往會(huì)使諧振頻率降低，于是將gm1的值設(shè)置為略大于20 mS，當(dāng)gm1≈26 mS時(shí)，LNA具有良好的輸入匹配特性.

1.3增益分析

圖3 文中LNA電路的等效電路

采用2級(jí)級(jí)聯(lián)，即在共柵放大器的后面又級(jí)聯(lián)了一個(gè)共源放大器，從而提升LNA的增益.同時(shí)在寬頻帶內(nèi)，采用電感并串峰值技術(shù)提升LNA的增益平坦度，其等效電路如圖3所示.設(shè)第1級(jí)放大電路的增益用AV1表示，第2級(jí)放大電路的增益用AV2表示.由圖3可以得出第1級(jí)共柵放大器的增益為

其中：

gm1和ro1分別表示M1的跨導(dǎo)和溝道阻抗；Cs1是源極寄生電容(該電容由M1的柵-源電容Cgs和柵-漏電容Cgd所引起)；Rs表示輸入源阻抗(通常等于50 Ω)；Z3表示M3的阻抗；CL1表示第2級(jí)的寄生負(fù)載電容；Cd1是漏極寄生電容(該電容由M2的柵-源電容Cgs和柵-漏電容Cgd所引起)；Cg表示MOS管M2的柵極寄生電容.為了簡(jiǎn)化分析，輸入端與輸出端的隔直電容C和Cout可以忽略不計(jì).

第2級(jí)共源放大電路的增益為

其中:

gm2表示MOS管M2的跨導(dǎo)；ro2表示M2的溝道阻抗；CL2表示第2級(jí)電路輸出端總的負(fù)載電容.

低噪聲放大器總的增益為

1.4噪聲分析

設(shè)LNA第1級(jí)共柵級(jí)的噪聲系數(shù)為NF1,忽略寄生電阻熱噪聲對(duì)噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)，并假設(shè)電路中的電感和電容是沒(méi)有損耗的，其等效噪聲電路如圖4所示.

圖4 LNA等效噪聲電路

共柵級(jí)的噪聲系數(shù)為

其中：γ表示MOS管的溝道熱噪聲系數(shù)；δ表示柵極感應(yīng)噪聲系數(shù)；α是和工藝相關(guān)的一個(gè)參數(shù)；c是漏極電流熱噪聲與柵極熱噪聲之間的相關(guān)系數(shù)，一般而言，對(duì)于長(zhǎng)溝道器件，c=j0.395，對(duì)于短溝道器件，c=j0.3～j0.35.假設(shè)LNA的2級(jí)電路之間實(shí)現(xiàn)了理想的級(jí)間匹配，那么第2級(jí)共源放大電路的噪聲系數(shù)為

(4)

由(4)式可知，第2級(jí)電路的噪聲系數(shù)NF2與MOS管M2的跨導(dǎo)gm2、輸入源阻抗Rs的值成反比，通常Rs=50 Ω，因此可以通過(guò)增大gm2的值來(lái)降低NF2.

2 仿真結(jié)果及分析

運(yùn)用ADS2008軟件對(duì)超寬帶LNA電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并由Cadence軟件對(duì)LNA電路進(jìn)行版圖設(shè)計(jì).本設(shè)計(jì)采用0.18 μm RF CMOS工藝，正向襯底偏置技術(shù)以及電流復(fù)用技術(shù)，使電路的工作電壓低至1.3 V，功耗僅有2.8 mW.輸入反射系數(shù)S11和輸出系數(shù)S22的仿真結(jié)果如圖5，6所示.

圖5 輸入反射系數(shù)波形(S11)

圖6 輸出反射系數(shù)波形(S22)

從圖5可知，在3～11 GHz頻率范圍內(nèi)，S11的值小于-13 dB，滿足設(shè)計(jì)要求.從圖6可知，在3～11 GHz頻率范圍內(nèi)，S22的值小于-14 dB，同樣也滿足設(shè)計(jì)要求.

文中所設(shè)計(jì)的LNA的電壓增益S21的仿真波形如圖7所示.從圖7可知，在3～11 GHz頻率范圍內(nèi)，S21的值在16.8～18.9 dB之間.LNA的噪聲系數(shù)的仿真波形如圖8所示.從圖8可知，在3～11 GHz頻率范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)的范圍是1.9～3.2 dB.輸入三階交調(diào)點(diǎn)(IIP3)的仿真波形如圖9所示.從圖9可知，文中所設(shè)計(jì)的LNA的IIP3為10 dBm.圖10為筆者設(shè)計(jì)的LNA的版圖，整個(gè)芯片面積為0.87×0.81 mm2.

圖7 電壓增益波形(S21)

圖8 噪聲系數(shù)波形(S21)

圖9 輸入三階交調(diào)點(diǎn)(IIP3)波形

圖10 文中設(shè)計(jì)的LNA的版圖

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，在1 V的工作電壓下，在2～12 GHz頻帶范圍內(nèi)，輸入反射系數(shù)S11小于-10.1 dB，輸出反射系數(shù)S22小于-15.2 dB，最大轉(zhuǎn)換增益為16.9 dB，最小噪聲系數(shù)為2.6 dB，輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3為10 dBm，整個(gè)電路的功耗僅有1.9 mW，該低噪聲放大器在低功耗條件下各方面性能良好.

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DesignofaNovelLow-PowerandHighlyLinearUWBLowNoiseAmplifier

YI Lizhi,GONG Liang

(Hunan Vocational College of Engineering,Changsha 410151,Hunan China)

This paper presents a low power,highly linear and high gain LNA,the circuit of which adopts common-gate(CG)topology to achieve input matching,utilizes the forward body biasing and current reuse techniques to reduce power consumption.Meanwhile,in order to achieve a high linearity,the proposed LNA utilizes post-distortion technique.The simulation results show that the proposed LNA has good performances under the condition of low power consumption.

low power;UWB;LNA;forward-body biasing;current-reuse

1007-2985(2014)06-0059-05

2014-07-25

易禮智(1980—)，男，湖南婁底人，湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要從事電子信息工程、控制工程和傳感器技術(shù)研究

龔 亮(1979—)，男，湖南沅江人，湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要從事微電子器件及集成電路研究.

TN722.3

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.06.015