一种可抑制PVT偏差影响的LNA偏置电路研究

王 斌

(江苏广播电视大学江都学院，江苏 扬州 225200)

一种可抑制PVT偏差影响的LNA偏置电路研究

王 斌

(江苏广播电视大学江都学院，江苏 扬州 225200)

尽量减小制造工艺、电源电压和温度给集成电路带来的偏差是现代集成电路设计的一项重要工作，现就这3个偏差进行理论分析，并提出一种应用于低噪声放大器(LNA)PVT偏差抑制的偏置电路，同时给出相关测试结果。

PVT偏差；偏置电路；抑制

1 PVT偏差

现代集成电路中通常含有大量有源器件(MOS晶体管)和无源器件(电阻、电容、电感)，它们的特性都会受到PVT(Process，Voltage，Temperature)偏差的影响。Process Corner是指“工艺角”，工艺上将NMOS和PMOS晶体管的速度波动范围限制在由快NFET和快PFET、慢NFET和慢PFET、快NFET和慢PFET、慢NFET和快PFET 4个角所确定的矩形内，通常左下角的corner(最小值)、中心(均值)、右上角的corner(最大值)就是集成电路仿真时所说的SS、TT和FF工艺角，它们受到制造工艺的限制。Voltage指的是集成电路的偏置电压，由于MOS管是电压控制元件，所以电压值对电路性能的影响比较大，一般在设计中不希望偏置电压随外电源的变化而改变。Temperature指工作环境的温度，温度的变化会影响载流子的迁移速度，使器件的参数产生改变，通常也希望建立与温度无关的电路结构。

PVT偏差对LNA(低噪声放大器)性能的影响，主要体现在LNA的输入和输出阻抗失配，从而导致电路的增益下降和噪声恶化。对于输出端来说，匹配的恶化主要是由于不同工艺角的变化使无源器件的大小偏离了标称值，导致匹配频率点发生偏移；对于输入端来说，主要是因为晶体管的阈值电压和载流子迁移速率随着PVT偏差发生了变化，使电路跨导随之改变，从而导致输入失配。所以，在LNA的设计中必须想办法对PVT偏差进行有效的抑制。

2 PVT偏差的抑制方法

2.1 工艺角偏差的抑制

当前减少工艺角偏差对电路的影响主要有2种方法：一是电路采用非最小尺寸设计，晶体管的W(宽)和L(长)应大于工艺规定的最小值至少一个数量级；二是冗余设计，就是在测试芯片后根据结果再对电路进行校正。但是在实际的LNA设计过程中，2种办法都存在各自的问题，第一种方法不能达到最佳尺寸，从而会严重影响LNA的噪声性能；第二种方法要求电路冗余很多，这样寄生参数会很大，电路设计困难，且成本也很高。在LNA设计中更多的是通过改进电路结构或改善偏置的方法来弥补工艺角偏差对电路的影响。

2.2 电压偏差的抑制

简单偏置源一般对外置电源有很大的依赖性，即偏置电压(电流)与电源电压存在一定的比例关系，实际的工作电压会随电源电压变化。为了获得与电源无关的偏置，就不能直接采用电源电压来设计偏置电路的电压，而要采用一些对电源不敏感的标准量。相关研究结果表明，采用自举偏置法(也称自偏置法)可以大大改善参考电压同电源的不相关性，它不是通过用一个电阻接到电源来产生参考电流，而是依靠电流源本身的输出电流来决定参考电流。如果这种接法形成的反馈回路具有稳定的工作点，流入电路的电流与简单电阻偏置相比，受电源电压的影响很小，其特点是电路具有恒定的跨导。具体电路如图1所示。

图1 跨导恒定偏置电路

由图示电路分析可以得到：M1、M2形成电流镜，M3、M4也形成电流镜，参考电流为IREF，即流过M1的电流，直接镜像于流过M2的电流，即输出电流IOUT。很明显得到IREF与IOUT是相等的。同时可以证明此时输出电流为：

(1)

式中，K为组成电流镜的管长之比。

如果忽略晶体管有限输出电阻的影响，则IREF和IOUT与电源电压Vdd几乎无关，达到消除电源电压偏置影响的目的。此时电路中每一个晶体管的跨导为：

(2)

整个LNA电路的跨导为βgm1(β为偏置电流IREF的放大倍数)。

不过上述电路的性能还是与工艺和温度有关。同时因为该电路存在一个正反馈环路，当电路中没有电流时，环路稳定使得晶体管始终不会导通，所以实际使用的时候要利用一个启动电路消除这种状态。

2.3 温度偏差的抑制

与温度无关的偏置的基本工作原理是：将2个具有相反温度系数的量以适当的权重相加，就会获得零温度系数的量。一般来说，双极性晶体管的特性参数具有最好的重复性，并具有能提供正温度系数和负温度系数的量。双极性晶体管的基极—发射极电压VBE或者PN结二极管的正向电压具有负温度系数；如果2个双极性晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极—发射极电压的差值就具有正温度系数。当然集成度要求比较高时也可以使用MOS管来替代电路中的双极性晶体管。利用上述的正、负温度系数的电压就可设计出与温度无关的偏置，即带隙基准源。具体电路如图2所示。

图2 带隙基准源电压参考电路

对电路进行分析可以得到：晶体管M1、M2和M3的宽长比相同，三者构成一个等比例的电流镜，运算放大器用来钳制晶体管M1、M2的漏极电压，使加在电阻R1上的电压为2三极管的基极—发射极电压的差量。可以证明流过电阻R1、三极管Q1和三极管Q2的电流为：

(3)

该电流具有正温度系数，即PTAT电流。

(4)

这样就形成了与温度无关的偏置电压，但是该电路对工艺角的变化还是比较敏感的。

3 综合抑制PVT偏差的偏置电路

当电路采用一个与电源无关的偏置或与温度无关的偏置做基准源时，可较好地解决电源电压偏差和温度偏差对低频电路性能的影响，但却难以抑制工艺角偏差对电路的影响。综合考虑3方面因素，我们提出了一种可以补偿PVT偏差对晶体管跨导的影响的偏置电路(图3)。

图3 综合抑制PVT偏差的LNA偏置电路

图中左起第一个虚线框内的电路是启动电路；左二虚线框内的电路是常见的恒定跨导偏置，是正温度系数(PTAT)的电流发生器，该电流对电源电压的变化不敏感，当晶体管M1和M2工作在饱和区时，该PTAT电流对电阻R1的工艺角和温度变化较敏感，但是如果晶体管M1和M2工作在亚阈值区，PTAT电流就不会受到电阻R1的工艺角和温度偏差影响了；右二虚线框内的电路是阈值参考电路，该电路的输出阻抗非常大，因此对后级负载的变化不敏感。采用该偏置方法使得电路的跨导保持恒定，从而可使LNA的输入匹配不随PVT偏差而变化；通过电阻R2的是负温度系数(CTAT)电流发生器的电流；右一虚线框内的电路是参考电流合成器，合成具有正温度系数的参考电流；为了消除PVT偏差对LNA电路的影响，就要保证在任何工艺角下使用PTAT电流源对LNA进行偏置，通过调节电阻R2的大小改变CTAT电流的大小，就可以使参考电流变为某个刚好能补偿载流子迁移率负温度特性的正温度特性电流。

对该偏置以温度为变量进行直流扫描分析，得到不同工艺角下与温度和电源电压的关系曲线，如图4所示。

图4 不同工艺角下与温度和电源电压的关系测试结果

从图中可以发现，同一种工艺角下不同电源电压之间的偏置电压相差不大，小于20 mV，而不同工艺角之间的偏置电压相差很大，在SS和FF两种极端工艺角之间的偏置电压大小相差约90 mV；此外还可发现各种工艺角下的偏置电压具有近似相同的微弱正温度系数。

4 结语

本电路较好地解决了PVT偏差对电路的影响，具有一定的工程应用价值。

[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，江苏江都人，硕士研究生，讲师，研究方向：电子和计算机。