低功耗高线性度超宽带低噪声放大器的设计*

易礼智，龚 亮

(湖南工程职业技术学院，湖南 长沙 410151)

低功耗高线性度超宽带低噪声放大器的设计*

易礼智，龚 亮

(湖南工程职业技术学院，湖南 长沙 410151)

提出了一种具有低功耗、高线性度、高增益、低噪声的放大器.该电路采用共栅结构实现输入匹配，正向衬底偏置技术与电流复用技术降低功耗，后失真技术提升线性度.实验仿真结果表明，所设计的低噪声放大器在低功耗条件下各方面性能良好.

低功耗；超宽带；低噪声放大器；正向衬底偏置；电流复用

自从美国联邦通信委员会(FCC)开放3.1～10.6 GHz频带以来，超宽带(UWB)技术一直是工业界和学术界的研究热点[1-3].这种技术具有低功耗、高数据传输速率(通常大于1 GB/s)、抗干扰能力强、频谱利用率高以及系统容量大等优点[4-6].笔者提出了一种新型的UWB LNA设计方案，采用2级级联的结构，在第1级采用共栅结构的放大器实现宽带输入匹配，第2级采用共源结构的放大器提升低噪声放大器(Low Noise Amplifier，简称LNA)的增益.为了降低整个电路的功耗，采用正向衬底偏置技术来降低电源电压，采用电流复用技术来降低电流，从而降低电路的功耗，同时采用并-串峰值技术来拓宽电路的3 dB带宽.

1 电路设计及分析

图1 提高线性度低功耗超宽带LNA电路

1.1电路结构

高线性度低功耗超宽带LNA采用0.18 μm RF CMOS工艺，且整个电路实现了全集成.该LNA电路采用共栅级与共源级级联的结构，在输入级采用共栅结构，这是因为共栅结构具有较好的宽带输入匹配特性，且噪声系数比较低.但是，由于共栅结构放大器的功率增益一般都比较低，不能满足设计要求，因此该电路的第2级采用共源结构提升LNA的增益.为了避免第2级消耗额外的电流，采用电流复用技术，即让第1级与第2级电路共用一路电流，这样可以降低整个电路消耗的电流，从而降低电路的功耗.为了降低电路的工作电压，该LNA电路中运用正向衬底偏置技术，即通过在MOS管的衬底上施加正向电压信号，从而降低MOS管的阈值电压.在超宽带范围内，线性度对于LNA电路是一个非常重要的性能指标，采用后失真技术来提升电路的线性度.

1.2输入匹配分析

输入匹配实现LNA最大功率传输和最小反射损耗，对于超宽带LNA的输入匹配设计，在超宽频带范围内实现输入阻抗匹配并非易事.文中设计的LNA电路采用的是共栅输入匹配，通过合理设置共栅管M1的尺寸以及偏置电流实现宽带范围内的输入匹配.此外，共栅输入结构还具有良好的线性度和隔离性.基于以上原因，选用共栅输入匹配结构，以小信号等效电路对低噪声放大器的输入匹配进行分析，共栅输入级及其小信号等效电路见图2.

图2 LNA的输入匹配电路及其小信号等效电路

图2中，Vs表示信号源，Rs表示信号源的阻抗，Zin表示低噪声放大器的输入阻抗，Zin2表示低噪声放大器第2级电路的输入阻抗，Ls表示源极电感，ZL表示第2级共源级电路的等效负载阻抗，Cta与Ctb分别表示图2a中a点的总电容以及b点的总电容，ro1表示MOS管M1的输出阻抗，gm1为M1的跨导，Vgs1表示M1的栅极与源极之间的电压.低噪声放大器的输入阻抗可以表示为

(1)

由于MOS管的输出阻抗ro1比电路的负载阻抗大得多，因此有

当频率比较低时，反馈电感和寄生电容对输入阻抗Zin的影响很小，此时的输入阻抗主要是由gm1决定.随着频率的逐渐升高，寄生电容和连接在a点和b点间的电容对输入阻抗的影响开始增大，在a点接入源极反馈电感Ls，与a点的总电容Cta发生谐振，在漏极接入Ld和Lg，与b点总的电容Ctb发生谐振，消除了输入阻抗中的大部分容抗，使高频响应得到了补偿.由于gm1≫ωCta，因此有

(2)

把(2)式代入(1)式可得

(3)

由(3)式可知，通过调整MOS管的尺寸和偏置电流，可以使M1的跨导gm1的值近似等于20 mS.但是在实际设计中，信号源阻抗Rs的存在往往会使谐振频率降低，于是将gm1的值设置为略大于20 mS，当gm1≈26 mS时，LNA具有良好的输入匹配特性.

1.3增益分析

图3 文中LNA电路的等效电路

采用2级级联，即在共栅放大器的后面又级联了一个共源放大器，从而提升LNA的增益.同时在宽频带内，采用电感并串峰值技术提升LNA的增益平坦度，其等效电路如图3所示.设第1级放大电路的增益用AV1表示，第2级放大电路的增益用AV2表示.由图3可以得出第1级共栅放大器的增益为

其中：

gm1和ro1分别表示M1的跨导和沟道阻抗；Cs1是源极寄生电容(该电容由M1的栅-源电容Cgs和栅-漏电容Cgd所引起)；Rs表示输入源阻抗(通常等于50 Ω)；Z3表示M3的阻抗；CL1表示第2级的寄生负载电容；Cd1是漏极寄生电容(该电容由M2的栅-源电容Cgs和栅-漏电容Cgd所引起)；Cg表示MOS管M2的栅极寄生电容.为了简化分析，输入端与输出端的隔直电容C和Cout可以忽略不计.

第2级共源放大电路的增益为

其中:

gm2表示MOS管M2的跨导；ro2表示M2的沟道阻抗；CL2表示第2级电路输出端总的负载电容.

低噪声放大器总的增益为

1.4噪声分析

设LNA第1级共栅级的噪声系数为NF1,忽略寄生电阻热噪声对噪声系数的贡献，并假设电路中的电感和电容是没有损耗的，其等效噪声电路如图4所示.

图4 LNA等效噪声电路

共栅级的噪声系数为

其中：γ表示MOS管的沟道热噪声系数；δ表示栅极感应噪声系数；α是和工艺相关的一个参数；c是漏极电流热噪声与栅极热噪声之间的相关系数，一般而言，对于长沟道器件，c=j0.395，对于短沟道器件，c=j0.3～j0.35.假设LNA的2级电路之间实现了理想的级间匹配，那么第2级共源放大电路的噪声系数为

(4)

由(4)式可知，第2级电路的噪声系数NF2与MOS管M2的跨导gm2、输入源阻抗Rs的值成反比，通常Rs=50 Ω，因此可以通过增大gm2的值来降低NF2.

2 仿真结果及分析

运用ADS2008软件对超宽带LNA电路进行仿真验证，并由Cadence软件对LNA电路进行版图设计.本设计采用0.18 μm RF CMOS工艺，正向衬底偏置技术以及电流复用技术，使电路的工作电压低至1.3 V，功耗仅有2.8 mW.输入反射系数S11和输出系数S22的仿真结果如图5，6所示.

图5 输入反射系数波形(S11)

图6 输出反射系数波形(S22)

从图5可知，在3～11 GHz频率范围内，S11的值小于-13 dB，满足设计要求.从图6可知，在3～11 GHz频率范围内，S22的值小于-14 dB，同样也满足设计要求.

文中所设计的LNA的电压增益S21的仿真波形如图7所示.从图7可知，在3～11 GHz频率范围内，S21的值在16.8～18.9 dB之间.LNA的噪声系数的仿真波形如图8所示.从图8可知，在3～11 GHz频率范围内，噪声系数的范围是1.9～3.2 dB.输入三阶交调点(IIP3)的仿真波形如图9所示.从图9可知，文中所设计的LNA的IIP3为10 dBm.图10为笔者设计的LNA的版图，整个芯片面积为0.87×0.81 mm2.

图7 电压增益波形(S21)

图8 噪声系数波形(S21)

图9 输入三阶交调点(IIP3)波形

图10 文中设计的LNA的版图

3 结论

实验仿真结果表明，在1 V的工作电压下，在2～12 GHz频带范围内，输入反射系数S11小于-10.1 dB，输出反射系数S22小于-15.2 dB，最大转换增益为16.9 dB，最小噪声系数为2.6 dB，输入三阶交调点IIP3为10 dBm，整个电路的功耗仅有1.9 mW，该低噪声放大器在低功耗条件下各方面性能良好.

[1] 姬建伟，宋家友，王晓东,等.一种低功耗高线性度低噪声放大器设计[J].微计算机信息,2007,23(5):280-282.

[2] 闫涛涛,周健军,莫亭亭.1.6 GHz高线性度低功耗CMOS驱动放大器[J].信息技术,2008,32(9):68-72.

[3] 程 序,郭桂良,阎跃鹏.一种低功耗高线性度AB类跨导放大器[J],微电子学与计算机,2013,30(5):133-136，141.

[4] 申 晶，张晓林.一种低功耗CMOS并行双频低噪声放大器[J].吉林大学学报：工学版,2013,43(2):485-490.

[5] 翁寅飞,孙玲玲,高海军.一种低功耗2.4 GHz低噪声放大器设计[J].电子器件，2011,34(5):517-520.

[6] 程知群,林隆乾.低功耗单端输入差分输出低噪声放大器[J].电路与系统学报，2012,17(5):130-133.

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

易礼智(1980—)，男，湖南娄底人，湖南工程职业技术学院讲师，硕士，主要从事电子信息工程、控制工程和传感器技术研究

龚 亮(1979—)，男，湖南沅江人，湖南工程职业技术学院讲师，硕士，主要从事微电子器件及集成电路研究.

TN722.3

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.06.015