一種用于計算機無線電接收機中的超寬帶LNA設計

作者 / 曾淥麟 陳汶濱 西南石油大學計算機科學學院(四川 成都 610500)

　　曾淥麟，男，漢族，1993年09月生，四川宜賓人，碩士生，研究方向：計算機無線收發(fā)前端硬件電路設計

摘要：本文提出了一種無電感單端轉(zhuǎn)差分寬帶低噪聲放大器LNA，該電路包含有三個反相器結(jié)構(gòu)的增益級，并且嵌有本地反饋電阻以實現(xiàn)寬帶輸入阻抗匹配的目的。而且，在第三級電路中，在電流偏置晶體管旁邊并聯(lián)一個電容，以改善電路增益以及差分信號的相位。基于TSMC 0.13 μm CMOS工藝進行設計，該寬帶LNA在0 GHz～1.4 GHZ的頻段內(nèi)，取得了17.4 dB的最大增益，-5.3 dBm的最小輸入三階交調(diào)截止點IIP3，1.2 dB的最小噪聲系數(shù)。該電路在1.3 V電壓供電下，僅消耗了10.8 mW的功耗。

0 引言

　　隨著計算機以及960 MHz超寬帶接收機系統(tǒng)的快速發(fā)展，并且為了降低芯片面積以及電路的復雜度，超寬帶低噪聲放大器LNA得到了迅猛發(fā)展。傳統(tǒng)的無電感寬帶LNA電路，例如并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)和共柵晶體管結(jié)構(gòu)，并不能同時實現(xiàn)寬帶輸入匹配網(wǎng)絡以及噪聲系數(shù)的最優(yōu)化[3-4]?；诠材Ｔ肼曇种埔约皟?yōu)良的奇次諧波非線性特性的優(yōu)點，差分結(jié)構(gòu)得到了越來越廣泛的關注，然而，LNA的前級模塊天線確實單端結(jié)構(gòu)，為了發(fā)揮差分電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，可以采用巴倫電路，但是巴倫的芯片面積過大，為了取代巴倫，出現(xiàn)了一種單端轉(zhuǎn)差分(S2D)寬帶LNA結(jié)構(gòu)^[5]，圖1所示即為傳統(tǒng)的S2D LNA結(jié)構(gòu)，電路由共源晶體管級和共柵晶體管級相級聯(lián)構(gòu)成，共柵晶體管級為電路提供寬帶輸入匹配網(wǎng)絡。雖然共柵晶體管級引起的熱噪聲被差分輸出結(jié)構(gòu)所抑制^[6]，但是由電流源或偏置電阻組成的偏置電路IB會引起較大的噪聲，假如采用有源器件代替，則可能會由于工藝波動問題導致偏置點的漂移。為了克服以上問題，本文提出了一款新穎的S2D寬帶LNA電路，該電路可以同時實現(xiàn)高增益、低噪聲以及寬帶輸入匹配網(wǎng)絡等優(yōu)良性能，并且在沒有引入電感的前提下，提供差分信號的輸出。

1 提出的LNA電路

　　傳統(tǒng)的并聯(lián)反饋放大器電路如圖2所示，該電路可以同時實現(xiàn)自偏置和輸入阻抗匹配的目的。輸入阻抗Rin可表示為：

　　其中，γ為MOS晶體管體效應系數(shù)，雖然，相比較無反饋結(jié)構(gòu)的LNA而言，噪聲系數(shù)有所改善，但是并不能同時實現(xiàn)輸入阻抗匹配、增益以及噪聲系數(shù)的最優(yōu)化。

　　為了實現(xiàn)LNA性能的最優(yōu)化，本文提出了一種新穎的S2D LNA電路結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該電路包含有三個反相器結(jié)構(gòu)的放大器電路，在后兩級電路中，引入了本地反饋電阻R_F1和R_F2，目的是為了實現(xiàn)電路的自偏置，穩(wěn)定直流偏置點。第一級電路引入了反饋網(wǎng)絡，該反饋網(wǎng)絡由R_B1、R_B2、R_B和差分放大器組成，反饋網(wǎng)絡的引入防止了由工藝波動所導致的輸出偏置點的漂移。電容C_IS用于隔離晶體管M_P1和M_N1的柵極偏置，優(yōu)化電路偏置點^[7]。

　　為了達到電路的高增益目標，圖3所示電路的前兩級需要提供足夠的開環(huán)增益，第一級電路晶體管采用較大的尺寸，以提供較高的電路增益，并抑制后級電路的噪聲反饋，第二級電路晶體管采用相對較小的尺寸，抑制由前級電路所導致的帶寬減少問題，第三級電路起到緩沖級的作用，用以隔離下級模塊對其的影響。

　　電容C_S3并聯(lián)晶體管M_S3，組成RC退化網(wǎng)絡，以改善電路增益以及差分信號的相位，退化網(wǎng)絡的電阻Z_S=r_oS3+1/sC_S3，通過對晶體管M_S3和電容C_S3參數(shù)的合理選擇，退化網(wǎng)絡可為電路提供額外的增益和合適的相位延遲，并且差分結(jié)構(gòu)的輸出極大地改善了奇次諧波的非線性特性。每一級的電壓增益A₁、A₂、A₃和總體電壓增益A_V可表示為：

　　因為LNA的輸入阻抗可由第二級電壓增益A2進行調(diào)節(jié)，而噪聲系數(shù)NF獨立于A2，因而本文所提出的電路可通過第二級電路的調(diào)節(jié)，同時實現(xiàn)輸入阻抗匹配和噪聲系數(shù)的最優(yōu)化。

2 仿真結(jié)果與分析

　　基于TSMC 0.13 μm CMOS工藝，采用Cadence軟件，對本文提出的LNA進行電路設計并進行版圖繪畫，圖4即為本文所提出的LNA電路版圖，后仿真結(jié)果表明，電路在1.3 V電壓供電下，消耗了10.8 mW的功耗。圖5所示給出了仿真得到的S₁₁和S₂₂的結(jié)果，可見在整個頻段內(nèi)，輸入反射系數(shù)S₁₁均低于-17.5 dB，輸出反射系數(shù)S₂₂均低于-10 dB，取得了較好的輸入輸出匹配結(jié)果。

　　圖6所示為S₂₁和S₁₂的仿真結(jié)果，由圖可見增益S₂₁取得了最大值為17.4 dB的數(shù)值，并且在整個頻段內(nèi)增益都大于12.5 dB，取得了較高的增益，隔離度S₁₂在整個仿真頻段內(nèi)，均低于-25 dB，可以有效地隔離后級電路對于LNA性能的影響。

　　圖7所示為噪聲系數(shù)NF的仿真結(jié)果，取得了最低值僅為1.2 dB的優(yōu)良結(jié)果，在整個頻段內(nèi)的噪聲系數(shù)也沒有達到3 dB。

　　圖8給出了輸入三階交調(diào)截止點IIP₃隨著頻段變化的仿真結(jié)果，在整個頻段內(nèi)，IIP₃優(yōu)于-6 dBm，并且取得了-0.78 dBm的最優(yōu)值，IIP₃可以通過優(yōu)化電路的偏置，進一步得到改善，為了更好地驗證該LNA的寬帶特性，分別采用10 MHz、25 MHz和50 MHz頻率間隔的雙音測試法對IIP₃進行仿真，IIP₃的值隨著頻率間隔的改變并沒有發(fā)生明顯的變化。

　　表1所示給出了本文設計的LNA與以往文獻設計的寬帶LNA的對比數(shù)據(jù)^[8-9]，相比較于文獻[8]而言，本文的功耗僅消耗了不到其三分之一，雖然增益略低了2.1 dB，但是噪聲系數(shù)和IIP₃遠優(yōu)于其結(jié)果，而對比于文獻[9]，雖然本文電路功耗略大，但是噪聲系數(shù)和IIP₃較優(yōu)，整體來看，本文設計的LNA取得了更優(yōu)的頻率范圍和更低的噪聲系數(shù)、IIP₃和功耗。

3 結(jié)論

　　本文提出了一款應用于計算機無線電接收機中的無電感寬帶S2D LNA電路，該電路包含有三個反相器結(jié)構(gòu)的增益級，并且嵌有本地反饋電阻以實現(xiàn)寬帶輸入阻抗匹配的目的。在后兩級電路中，引入了本地反饋電阻，以實現(xiàn)電路的自偏置，穩(wěn)定直流偏置點。而且，在第三級電路中，在電流偏置晶體管旁邊并聯(lián)一個電容，以改善電路增益以及差分信號的相位，基于TSMC 0.13 μm CMOS工藝對該LNA進行仿真設計，仿真得到所提出的LNA取得了17.4 dB的最大增益，輸入反射系數(shù)S11在很寬的頻段內(nèi)均低于-17.5 dB，噪聲系數(shù)達到了1.2 dB的最小值，并且電路在1.3 V電壓供電下，僅消耗了10.8 mW的功耗。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第61頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。