基于多重反馈环路技术的0.8～5.2 GHz CMOS宽带LNA设计

万求真，吴潇婷，徐蒙，徐丹丹

(湖南师范大学 物理与信息科学学院,湖南 长沙 410081)



基于多重反馈环路技术的0.8～5.2 GHz CMOS宽带LNA设计

万求真†，吴潇婷，徐蒙，徐丹丹

(湖南师范大学 物理与信息科学学院,湖南 长沙 410081)

在传统共栅放大器结构基础上，基于0.18 μm CMOS工艺，提出一种带多重反馈环路技术的0.8～5.2 GHz宽带低噪声放大器(LNA). 该电路采用的负反馈结构在改善噪声系数和输入阻抗匹配的同时并不需要消耗额外的功耗；采用的双重正反馈结构增加了输入级MOS管跨导设计的灵活性，并可通过输出负载阻抗反过来控制输入阻抗匹配，使得提出的LNA在宽频率范围内实现功率增益、输入阻抗与噪声系数的同时优化. 后版图仿真结果显示，在0.8～5.2 GHz频段内，该宽带LNA的功率增益范围为12.0～14.5 dB，输入反射系数S11为-8.0～-17.6 dB，输出反射系数S22为-10.0～-32.4 dB，反向传输系数S12小于-45.6 dB，噪声系数NF为3.7～4.1 dB. 在3 GHz时的输入三阶交调点IIP3为-4.0 dBm. 芯片在1.5 V电源电压下，消耗的功率仅为9.0 mW，芯片总面积为0.7 mm×0.8 mm.

CMOS；射频集成电路；低噪声放大器；宽带；多重反馈环路技术

在当前的无线通信领域中，各种各样的协议标准不断涌现，如2G/3G/4G (移动通信网)、WLAN (无线局域网)、RFID(射频识别)、Bluetooth(蓝牙)、UWB(超宽带)、GPS(全球定位系统)，它们都在各自特定的无线通信领域中发挥着重要作用.这些无线通信方式大大促进了社会生产力的发展以及人与人之间信息的交流.然而，无论是2G/3G/4G、WLAN还是RFID等，它们都有着自身协议标准不能完成的通信活动.目前，随着下一代宽带无线通信技术的高速发展，人们对无线通信的需求已远非停留在单一标准、单一应用上，而是朝着多标准融合的方向不断前进.因此，满足多标准融合的收发机系统结构及其关键单元电路研究将是未来射频集成电路的发展趋势[1-3].

作为射频集成电路中的一种关键单元电路，低噪声放大器(LNA, low-noise amplifier)无疑成为研究的热点.LNA位于射频接收机的最前端，它对整个接收机系统的灵敏度和动态范围起着决定性作用.对于LNA设计除了要求有优异的噪声性能外，为了能够抑制后级模块的噪声对整体接收机噪声的影响还应具有足够的功率增益；同时为了保证LNA在比较大的信号动态范围内能够正常工作，不出现失真，要求LNA应具有适当的线性度；为了实现功率最大传输，好的输入输出阻抗匹配也是LNA设计中需要的；另外，还要满足诸如增益平坦度、反向隔离度以及功耗等性能指标.

为了同时满足多种协议标准融合，LNA主要有以下几种实现方法.传统的方法是采用多路LNA并行输入，在多个LNA通道之间，针对各种协议标准的中心工作频率分别进行匹配，它可以实现较好的噪声系数和功率增益，但缺点是芯片面积和功耗较大[4].目前常用的多标准解决方案有宽带LNA和可配置LNA.宽带LNA可同时覆盖多种协议标准的工作频率，能适应多标准共存的要求，但它也会放大目标信道附近的干扰信号，很容易造成通道的阻塞，从而提高了设计电路的线性度要求，也难以获得好的综合性能指标[5-6].可配置LNA通过数字控制模块来实现电路的可调谐，采用开关电容阵列或MOS开关来选通不同的中心工作频率，可以保持带外干扰信号的免疫特性，但它很难在多种协议标准下同时获得好的阻抗匹配和低噪声系数[7-8].因而，在多标准射频接收机中，LNA的设计与研究是一个很大的挑战.

鉴于此，本文在传统共栅放大器结构基础上，设计并实现一种带多重反馈环路技术的0.8～5.2 GHz宽带LNA.该宽带LNA采用了双重正反馈结构与负反馈结构相结合的多重反馈环路技术，它增加了输入级MOS管跨导的设计灵活性，可以获得良好的线性度，并同时优化LNA的输入阻抗匹配、噪声系数、功率增益和功耗性能.仿真与实验结果表明，设计的宽带LNA在宽频率范围内具有良好的综合性能指标.在0.8～5.2 GHz频段内，该宽带LNA的功率增益范围为12.0～14.5 dB，输入反射系数S11为-8.0～-17.6 dB，输出反射系数S22为-10.0～-32.4 dB，反向传输系数S12小于-45.6 dB，噪声系数NF为3.7～4.1 dB.在3 GHz时的输入三阶交调点IIP3为-4.0 dBm.此外，该电路在满足下一代宽带无线通信应用的同时，具有低压低功耗的特点.

1 电路结构与性能分析

1.1 传统共栅放大器

在传统的宽带LNA拓扑结构中，如分布式放大器[9]、共栅放大器[10]、并联负反馈放大器[11]等，共栅放大器由于输入阻抗固有的匹配特性与高线性度而被广泛关注.为了同时满足多种协议标准融合，实现宽频率范围内的输入阻抗匹配和良好综合性能指标，本文宽带LNA设计将基于传统共栅放大器结构进行研究.图1(a)中给出了传统差分共栅放大器的电路图.在图1(a)中，差分电压增益Av、差分输入阻抗Zin和噪声系数F(其中NF=10log10F)可以表示为[12]：

(1)

Zin=2/gm1

(2)

(3)

其中gm1为输入放大管M1的跨导，RS为信号源内阻，γ是沟道电流热噪声系数，α=gm1/gd01，gd01是M1管中VDS零偏置下的漏极电导.式(3)中的第三项表示输出负载ZL的噪声贡献.从式(1)～式(3)中可以看出，共栅放大器的输入阻抗Zin受频率变化影响较小，适合作为宽带LNA的输入匹配级；但共栅放大器的噪声系数与输入跨导gm1成反比，而输入跨导gm1的大小受输入阻抗匹配限制(Zin=2RS=100 Ω，即gm1RS=1)；这就限制了输入跨导gm1一般不会很大，导致共栅放大器的噪声系数会很大，另外由于输入跨导gm1相对较低而不能提供较高的功率增益.

1.2 带电容耦合技术的负反馈共栅放大器

为了获得高功率增益与低噪声系数，需要增大共栅放大器中输入放大管M1的跨导，但输入阻抗随之降低，恶化输入阻抗匹配，这将反过来增加电路的功率消耗.为缓解这一限制，有文献采用电容耦合技术充当负反馈结构，对传统共栅放大器进行改进[13-15].

图1 传统共栅放大器及改进结构

gm1(1+ANEG)ZL

(4)

Zin=2/gm1(1+ANEG)=2RS

(5)

(6)

可以看到，在满足输入阻抗匹配(gm1(1+ANEG)RS=1)条件下，引入的负反馈结构不增加新的噪声和非线性源，它可以增强输入放大管M1的有效跨导，这将意味着消耗更少的直流偏置电流，产生更少的M1管沟道电流热噪声，因此它能在改善噪声系数的同时并不需要消耗额外的功耗.

1.3 提出的基于多重反馈环路技术的宽带LNA

在负反馈共栅放大器中，输入放大管M1的跨导由gm1增强到gm1(1+ANEG)，在满足输入阻抗匹配(gm1(1+ANEG)RS=1)条件下，输入放大管M1的跨导gm1却被限制在10mS，这导致了较低的功率增益.为了满足多种协议标准融合，需要增加输入管M1跨导gm1的设计灵活性，本文在图1(c)的基础上，提出一种基于多重反馈环路技术的宽带LNA，具体电路图如图2(a)所示；它将双重正反馈结构与负反馈结构结合起来进行设计，其原理图如图2(b)所示.一方面，由M2管与电容Cb构成的正反馈环路Apos1并行跨接在输入放大管M1的源极与共栅管M4的漏极之间.另一方面，由M3管替代传统共栅放大器的尾部电流源，它与耦合电容Cc一起，产生另一条正反馈环路Apos2.双重正反馈结构Apos1，Apos2的联合设计，将在图1(c)的基础上增加输入跨导gm1设计的灵活性，使得研究的宽带LNA在满足输入阻抗匹配的同时，可以获得更大的功率增益和更小的噪声系数.下面对图2中多重反馈环路技术进行分析.

1.3.1 输入阻抗

当输入电流Iin加入到放大管M1的源极时，由M2管与M3管各自构成的正反馈环路将分别产生一个与输入电流同相的反馈电流Ipos1和Ipos2，电流方向如图2(b)所示.由于增加了正反馈环路电流Ipos1和Ipos2的影响，提出的宽带LNA的输入阻抗Zin可表示为：

(7)

其中，gm1和gm2为MOS管M1和M2的跨导.Apos1，Apos2为各自构成的正反馈环路增益.Apos1=gm2Zload(ω)，Apos2=gm3/2gm1，在电路设计中设置(Apos1+Apos2)<1以满足LNA的稳定性.从上式中可以看出，输入放大管M1的跨导gm1值打破了传统共栅放大器输入阻抗匹配的限制.在此时输入阻抗匹配gm1(1+ANEG)(1-Apos1-Apos2)RS=1条件下，gm1可以通过选择双重正反馈(Apos1+Apos2)的值来灵活设置，因此输入跨导gm1可以比传统共栅放大器结构高得多.

(a) 电路实现 (b)多重反馈环路原理图

如当Apos1+Apos2=0.8，ANEG=1时，gm1=50mS，这将显著增加功率增益.另外，由M2管构成的正反馈结构的环路增益Apos1为gm2Zload(ω)，正反馈环路Apos1可以通过输出负载阻抗Zload(ω)反过来控制输入阻抗匹配，从而进一步增加了输入阻抗设计的灵活性.

1.3.2 电流增益

相比于传统共栅放大器的电流增益受限为1，而引入双重正反馈结构的共栅放大器的电流增益将大于1，增强的电流增益可用来改善宽带LNA的噪声系数.在图2(b)中，提出的宽带LNA的输出电流Iout由信号源提供的输入电流Iin与由M2，M3管各自产生的正反馈电流Ipos1,Ipos2之和组成，宽带LNA的电流增益可以表示为：

(8)

从式(8)中可以看出，提出的宽带LNA的电流增益可以通过双重正反馈结构的环路增益Apos1，Apos2来进行控制，如同上面分析中的输入阻抗Zin一样.

1.3.3 噪声系数

在噪声系数的分析中，本文忽略MOS管栅极电阻噪声，只考虑MOS管沟道电流热噪声对输出噪声的贡献.在提出的基于多重反馈环路技术的宽带LNA中，包括信号源内阻的噪声电流源主要有5种.输入放大管M1的噪声电流全部流过负载阻抗Zload(ω),对差分电路噪声系数的贡献为:

(9)

(10)

从式(10)中可以看出，双重正反馈结构的引入提高了输入放大管M1的跨导，增大了功率增益，大大降低了输入放大管M1的噪声贡献，虽然在双重正反馈结构中同时引入了M2管与M3管的额外噪声贡献，但相比输入放大管M1噪声贡献的降低，额外的噪声源引入的噪声贡献可以忽略不计.

因此，在本文提出的宽带LNA中，可以看到，由耦合电容(Ca)交叉连接构成的负反馈结构与由M2,M3管构成的双重正反馈结构一起，多重反馈环路技术增加了输入管M1跨导gm1的设计灵活性，从而可以优化宽带LNA的输入阻抗匹配、功率增益、噪声系数和功耗性能.

另外，为了使提出的宽带LNA在足够宽的频率范围内具有平坦增益，输出负载Zload(ω)采用电感Lb和电阻Rb构成的串联峰值结构.其中，负载电阻Rb用来增大低频频段的电压增益；而串联峰值电感Lb的等效阻抗值会随着频率的增加而增大，它可以补偿寄生电容的影响来达到高平坦增益和好的宽带特性.在输出级，为了实现宽带输出阻抗匹配，在放大器的后面连接有一个源极跟随器，由M5管和M6管构成的源极跟随器具有较高的输入阻抗和中等的输出阻抗.同时，共栅管M4堆叠在输入放大管M1之上，它可以抑制输入放大管M1的栅漏寄生电容Cgd1，减少密勒效应，增加电路的稳定性，为宽带LNA提供很好的反向隔离性能.

2 实验结果分析

本文提出的0.8～5.2GHz宽带LNA采用0.18μmCMOS工艺，在CadenceSpectreRF中对电路进行仿真，采用CadenceVirtuoso软件进行版图设计.在版图设计时，尽量采用对称结构进行绘制，同时尽量减小版图设计面积；所有有源和无源元件，包括片上螺旋电感和MIM(Metal-Insulator-Metal)电容都在片集成.通过对电路原理图和版图的多次迭代优化以后，将版图中提取出来的所有寄生参数代入电路原理图中进行后仿真.图3为本文提出的宽带LNA的芯片版图照片，它包括测试焊盘(PAD)在内的版图总面积为0.7mm×0.8mm.

图3 提出的宽带LNA的芯片版图照片

图4显示了后仿真的输入反射系数S11，在0.8～5.2 GHz频率范围内，仿真的S11为-8.0～-17.6 dB，实现了较好的输入阻抗匹配性能.仿真的S11结果也进一步验证了双重正反馈结构与负反馈结构的结合技术在宽带输入阻抗匹配中的成功设计.图4同时给出了后仿真的输出反射系数S22，在0.8～5.2 GHz频率范围内，仿真的S22为-10.0～-32.4 dB，具有很好的输出阻抗匹配性能.与前仿真结果相比，后仿真的S11与S22稍有一些下降，其原因可能是不精确的电感模型或输入输出测试PAD中的寄生电容所引起的.

Freq/GHz

图5显示了后仿真的功率增益特性，仿真的功率增益在0.8～5.2 GHz频率范围内为12.0～14.5 dB，平均功率增益为13.25 dB，且增益平坦度保持在±1.25dB范围内，具备了较好的增益平坦度性能.图5同时给出了宽带LNA的反向传输系数S12，仿真的S12在0.8～5.2 GHz频率范围内保持在-45.6 dB以下，具有很好的反向隔离度.由于提出的宽带LNA中采用共栅MOS管层叠结构，通过共栅管M4的反向隔离作用，S12可以满足设计要求.

Freq/GHz

对于噪声系数的后仿真如图6所示，在0.8～5.2 GHz频率范围内噪声变化比较平缓，仿真的噪声系数在3.7～4.1 dB范围内变化，平均噪声系数NF为3.9 dB，达到了很优越的噪声特性.后仿真的NF稍大于它的前仿真结果，其原因可能是片上电感的有限Q值和深亚微米工艺下存在的不可忽略的寄生参数所导致的.另外，为了观察宽带LNA的线性度，采用双频输入法对输入三阶交调点(IIP3)进行仿真，用两个信号源分别产生3.0 GHz和3.01 GHz的输入信号，它们的输入信号功率都设置为-30 dBm.如图7所示，仿真得到的IIP3约为-4.0 dBm，表明该宽带LNA实现了良好的线性度性能.在以上的电路仿真过程中，提出的宽带LNA采用1.5 V的电源电压，它不包括源极跟随器的电流消耗为6.0 mA，消耗的功率仅为9.0 mW，可以满足低压低功耗电路的设计要求.

本文提出的宽带LNA与最近发表的宽带LNA的比较结果如表1所示.从表中可以看出，该宽带LNA在0.8～5.2 GHz频率范围内，与类似工作频带下的放大器相比，在电压、功耗设计上具有一定优势，同时该宽带LNA在噪声系数、功率增益、线性度、输入输出阻抗匹配与芯片面积等各个性能指标之间进行了折中，具有更好的综合性能指标.

表1 提出的宽带LNA与相关论文性能比较

Freq/GHz

Pin/dBm

3 结束语

本文基于0.18 μm CMOS工艺，设计并实现了一种带多重反馈环路技术的0.8～5.2 GHz宽带LNA.该电路在传统共栅放大器结构基础上，采用的负反馈结构在改善噪声系数和输入阻抗匹配的同时并不需要消耗额外的功耗；采用的双重正反馈结构可通过输出负载阻抗反过来控制输入阻抗匹配，且增加了输入级MOS管跨导设计的灵活性，使得提出的宽带LNA能够同时达到高的功率增益，良好的阻抗匹配和较低的噪声性能.后版图仿真结果显示，在0.8～5.2 GHz频率范围内，最大功率增益S21为14.5 dB，输入反射系数S11小于-8.0 dB，输出反射系数S22小于-10.0 dB，噪声系数NF为3.7～4.1 dB.在3 GHz时的输入三阶交调点IIP3为-4.0 dBm，具有良好的线性度.在1.5 V电源电压下，消耗的功率仅为9.0 mW.本文提出的双重正反馈结构与负反馈结构相结合的多重反馈环路技术，为深亚微米工艺下设计单片集成的CMOS宽带LNA提供了参考.

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Design of a 0.8～5.2 GHz CMOS Wideband LNA Employing Multiple Feedback Loop Technique

WAN Qiuzhen†,WU Xiaoting,XU Meng,XU Dandan

(College of Physics and Information Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, China)

Based on the traditional common-gate (CG) amplifier configuration, a 0.8～5.2 GHz wideband LNA employing multiple feedback loop technique using a 0.18 μm CMOS technology was presented. The negative feedback structure of the LNA can improve the noise figure and input impedance matching, while it does not require additional power consumption. The dual positive feedback structure of the LNA can also increase the flexibility of input MOS transistor transconductance, and in turn control the input impedance matching by the output load impedance. The combination of these techniques would optimize the power gain, input impedance, and noise figure simultaneously over a wide frequency range. Post-layout simulation results show that the wideband LNA has a power gainS21of 12.0～14.5 dB, an input return lossS11of -8.0～-17.6 dB, an output return lossS22of -10.0～-32.4 dB, and a reverse isolationS12of less -45.6 dB in the frequency range of 0.8～5.2 GHz. A noise figure of 3.7～4.1 dB was also obtained in the required band with a power dissipation of 9.0 mW under a supply voltage of 1.5 V. The input third-order intercept point (IIP3) is -4.0 dBm at 3 GHz. The chip area including testing pads is only 0.7 mm×0.8 mm.

CMOS; RF integrated circuits; low noise amplifier (LNA); wideband; multiple feedback loop technique

1674-2974(2017)04-0124-07

10．16339/j．cnki．hdxbzkb．2017．04．017

2016-04-11

湖南省自然科学基金资助项目(2016JJ6095)，Natural Science Foundation of Hunan Province of China (2016JJ6095)；湖南省教育厅科学研究项目(14B107)，Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department (14B107)；湖南师范大学青年优秀人才培养项目(ET14102)，Excellent talents in Hunan Normal University (ET14102)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201610542009)，National Training Program of Innovation and Entrepreneurship for Undergraduates (201610542009)

万求真(1984-)，男，湖南岳阳人，湖南师范大学讲师，博士†通讯联系人，E-mail:wanqiuzhen@sina.com

TN432；TN722

A