基于三谐振网络的超宽带低噪声放大器

(湘潭大学信息工程学院,湖南湘潭 411105)

射频集成电路具有传输速率高、功耗低等优势,已逐渐成为无线通信领域中的新亮点,在未来新一代移动无线通信中具有很大的发展潜力[1]。由于CMOS工艺具有成本低、功耗低、集成度高等特点,现已被广泛应用于射频集成电路中。超宽带低噪声放大器作为射频集成电路中的关键模块,电路需要同时具有平坦且较高的增益,输入、输出阻抗匹配,平坦且较低的噪声系数,较低的功耗。

近年来,多种满足上述条件的超宽带低噪声放大器已经被提出[2-9]。例如,文献 [2-3]中利用分布式放大器结构实现了较高的增益并拓展了电路的带宽,但是电感数量较多,面积和功耗也较大。之后Reiha等[4]采用电阻负反馈技术实现了平稳的增益和输入阻抗匹配,但是这种结构由于在NMOS管(N-channel Metal Oxide Semiconductor FET)栅漏极间加入了反馈电阻,导致电路的噪声过大。文献[5]采用共源极结构实现了低噪声的要求,然而此种结构无法使电路实现较好的输入阻抗匹配,为解决这一难题,需在电路中额外加入切比雪夫滤波器电路,但是会导致芯片面积增大。2009年,Zhang等[6]采用单个共栅极CG结构在不需外加电路的情况下,实现了较好的输入输出阻抗匹配以及较好的线性度,但是这种电路无法满足系统在超宽带范围内实现高增益的要求。为解决这一问题,Chen[7]提出了采用共栅-共源结构(CG-CS)来实现平坦的增益,但是此种结构的电路噪声性能在高频时有所恶化,整个电路的功耗也较高。文献[10]提出了一种基于双谐振负载网络的超宽带低噪声放大器,在整个带宽内实现了较好的输入阻抗匹配以及平坦的噪声系数,但是电路的功耗较大,工作带宽较窄。

针对上述问题,本文采用 TSMC 0.18 μm CMOS工艺,在文献[10]的基础上增加了一级共源极(CS)结构,同时加入了一个级间的栅漏极电感L4,提出了一种基于三谐振匹配网络的超宽带低噪声放大器。与一般的低噪声放大器相比,本文在带宽上有了较大的提升,在整个带宽范围内得到了较高的增益以及平坦的噪声系数。此外,为降低电路的功耗,引入了正向衬底偏置技术。

1 电路结构

本文提出了一种基于三谐振匹配网络的超宽带低噪声放大器。电路结构如图1所示。电路主要由3部分组成:电路的输入级采用双谐振负载网络结构[10],通过一个共栅极结构和一个负载RLC结构实现了输入阻抗的匹配;放大级采用三谐振网络匹配技术,其中M1、M2、M3均为NMOS管,利用这一技术在电路中实现了较高的增益,并拓展了带宽;电路的输出级采用源跟随器结构。此外,在电路中通过引入衬底偏置技术,使电路的功耗显著降低。

2 电路分析

2.1 输入匹配

由于在射频收发机系统中,超宽带低噪声放大器的输入端与天线或带通滤波器直接相连,因此,为保证最大的功率传输,电路需在整个带宽范围内实现输入阻抗匹配。本文通过引入双谐振负载网络技术来实现电路的输入阻抗匹配[10]。双谐振负载网络结构的小信号等效电路模型如图2所示,得到其输入阻抗为:

图1 超宽带低噪声放大器电路图Fig.1 The circuit diagram of ultra-wideband low noise amplifier

式中:Zin(s)为电路的输入阻抗;Cgs1为输入级NMOS管M1的栅源极寄生电容;Ls为M1的源极电感;gm1为M1的跨导;rds1为M1的输出电阻;ZL(s)为M1的负载阻抗。

图2 双谐振负载网络结构的小信号等效电路模型Fig.2 Small-signal equivalent circuit model of dualresonance load network structure

图2中Cd1为 M1漏极的寄生电容;Cgs2为NMOS管M2的栅源极寄生电容。由图2可以看出,电路可以通过电容与电感之间的谐振作用增大负载阻抗ZL(s)的值。由式(1)可知,当负载阻抗ZL(s)增大时,电路的输入阻抗Zin(s)可以很容易地达到50 Ω,从而实现输入阻抗的匹配。

2.2 三谐振网络匹配技术

文献[10]采用双谐振负载网络技术在电路处于12 GHz之后也会产生较高的增益,但此时在整个带宽内会出现两边高、中间低的现象,导致增益不再平坦。为解决这一问题,本文提出了基于三谐振匹配网络的超宽带低噪声放大器。三谐振匹配网络的等效电路图如图3所示。

图3 三谐振匹配网络的等效电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram of triple-resonance matching network

由图3可知三谐振匹配网络的总增益AV为:

式中:AV1为电路第一级级联网络的增益;AV2为电路第二级级联网络的增益;Vout1为电路第一级级联网络的输出电压;Vout2为电路第二级级联网络的输出电压;Vin为电路的输入电压。

其中:

式中:Rs为输入信号的源阻抗;Zout2为第二级级联网络的输出阻抗;gm2为输入级NMOS管M2的跨导;Cgs2为M2的栅源极寄生电容;rds2为M2的输出电阻;Cd2为M2漏极的寄生电容;Cgs3为NMOS管M3的栅源极寄生电容。

当电路频率达到3 GHz时,M1输入端并联结构Ls-Cgs1与M1输出负载L1-Cd1同时发生谐振,电路呈纯阻性,电路增益上升;在中频处,电感L1和串联结构L2-Cgs2-C3共同作用使电路阻抗增大,将式(5)代入式(3)可得,电路输出负载阻性增强,增益提高;当电路处于高频时,M2输出端并联结构L3-Cd2与串联结构L4-C4-Cgs3同时发生谐振,减小了电路高频时寄生电容对电路的影响,将式(6)代入式(4)可知,电路的增益提高,使得带宽有所增加。加入NMOS管M4和电感L6的主要目的是为了使电路在整个频段范围内获得一个平坦的增益。综上所述,电路利用三次谐振过程可以在整个带宽范围内得到平坦的增益。

2.3 输出匹配

为了使电路实现输出阻抗的匹配,本文采用了源跟随器结构。在图1中,M6为M5提供稳定的直流偏置,通过改变M5的大小使其输出阻抗在整个带宽范围内稳定在50 Ω,实现输出阻抗的匹配。

2.4 噪声系数

在射频收发机系统中,噪声性能的分析是极其重要的。对于级联网络的噪声系数NF可以表示为[11]:

式中:NF为级联网络总的噪声系数;NF1为第一级系统的噪声系数;NF2为第二级系统的噪声系数;NF3为第三级系统的噪声系数;GP1为第一级系统的功率增益;GP2为第二级系统的功率增益。

对于本文第一级系统CG级电路来说,噪声系数NF可以表示为[12]:

式中:α为与工艺相关的参数,α=gm/gd0;γc为沟道热噪声系数。

由式(8)可以看出,对于给定的输出电阻rds1,噪声系数NF会随着负载阻抗网络ZL(s)的增大而减小。在本文电路中,利用双谐振负载网络技术实现了较大的负载阻抗,使第一级系统的噪声性能有所改善。由式(7)可知,在电路中通过使用三谐振网络技术增大电路增益的方式,可以使第二级级联系统以及第三级级联系统的噪声下降,从而使电路在整个带宽范围内得到较低的噪声系数NF。

2.5 衬底偏置技术

超宽带低噪声放大器作为射频接收机中第一级系统,其功耗占据了整个射频接收机系统的绝大部分,因此控制LNA的功耗是极其必要的。本文通过引入衬底偏置技术降低了电路的工作电压,达到了降低功耗的目的[13]。

在一般的电路中,MOS(Metal Oxide Semiconductor)管的衬底与源极之间常采用零偏置或反向偏置。但由于MOS管自身体效应的存在,阈值电压会随着衬底端电压的变化而变化[14]。对于NMOS器件,其阈值电压与衬底电压之间的关系为:

式中:Vbs为衬底与源极之间的电压;Vth0为当Vbs=0时MOS管的阈值电压;γb为体效应参数;φf为半导体参数。

由式(9)可以看出,在衬-源极间加入电压后,电路的阈值电压减小,进而电路的工作电压减小,功耗降低。

3 仿真结果

3.1 仿真结果的优化分析

在本文中,由式(1)～(6)可以计算出图1中元件的参数值。其中电感L2=0.88 nH,L4=0.63 nH。由于随着电路工作频率的不断升高,MOS管寄生电容对电路的影响越来越强,导致理论值与实际值会出现一定程度的偏差,进而导致电路的性能发生恶化。为防止这种恶化情况的发生,本文利用ADS软件中的遗传算法对电路中电感元件进行了优化,获得了各项性能指标最优时电路元件的参数值。具体的元件参数值如表1所示。图4所示为电感元件L2、L4优化前与优化后电路增益与噪声系数仿真结果的对比图。

3.2 工艺角对电路的影响

由于工艺角的不同对于MOS管的阈值电压、漏极电流以及电阻、电容、电感的大小会产生影响,因此本文分析了工艺角分别在 “慢”状态ss、标准状态tt以及 “快”状态ff下电路的各项性能指标。

表1 超宽带低噪声放大器电路元件参数值Tab.1 The circuit component parameter values of ultra-wideband low noise amplifier

图4 电感元件L2、L4优化前与优化后的电路增益与噪声系数仿真结果的对比图Fig.4 Comparison of simulation results of circuit gain and noise figure before and after optimization of inductive components L2 and L4

工艺角对于输入反射系数S11的影响如图5所示。由图5可以看出,当工艺角处于ff状态时,输入反射系数最大,但最大也没有超过-6.9 dB,输入阻抗匹配较好,说明工艺角对于输入阻抗匹配性能影响较小。工艺角对于输出反射系数S22的影响如图6所示。由图6可以看出,不管工艺角处于何种状态,输出反射系数S22都小于-10 dB,表现了较好的输出阻抗匹配性能。工艺角对于电路增益的影响如图7所示。由图7可以看出,工艺角对于电路增益的影响较大,当工艺角处于ss状态时,增益下降十分明显,这是由于ss状态下MOS管的阈值电压升高,跨导gm变小,由式(3)、(4)可知电路的增益减小。但是在ss状态下增益最小为8.64 dB,大于8.5 dB,增益平坦度为5.35 dB,符合低噪声放大器增益的性能指标要求。工艺角对于噪声系数NF的影响如图8所示。由图8可以看出工艺角在ss状态下噪声性能恶化,此时噪声系数最大为7.3 dB。这是由于在ss状态下电路的增益减小,由式(7)可知电路的噪声系数增大。综上所述,虽然工艺角对于增益以及噪声系数的影响较大,但都可以满足超宽带低噪声放大器的基本性能指标要求。

图5 工艺角对于输入反射系数S11的影响Fig.5 Influence of the process corner on input reflection coefficientS11

图6 工艺角对于输出反射系数S22的影响Fig.6 Influence of the process corner on output reflection coefficientS22

图7 工艺角对于增益S21的影响Fig.7 Influence of the process corner on gainS21

图8 工艺角对于噪声系数NF的影响Fig.8 Influence of the process corner on noise figure NF

3.3 温度特性对电路的影响

由于电路的温度对于MOS管的阈值电压Vth以及本征载流子浓度具有极大的影响,因此分析电路的温度特性对超宽带低噪声放大器性能的影响是极其必要的。本文分析了温度t分别在-55℃,25℃以及125℃时对电路各项性能的影响。

温度特性对于输入反射系数S11的影响如图9所示,温度特性对于输出反射系数S22的影响如图10所示。由图9以及图10可以看出,温度对于S11以及S22的影响不是很大,基本与温度t=25℃时接近。温度特性对于增益S21的影响如图11所示。由图11可以看出,温度越高,增益越小,在t=125℃时增益最小,最小增益为12.06 dB,增益平坦度为4.88 dB,符合放大器的增益性能要求。温度特性对于噪声系数NF的影响如图12所示。由图12可以看出,温度越高,NF越大,在温度为125℃时NF最大,最大NF为6.65 dB,符合低噪声放大器对于噪声性能的要求。因此对于本文来说,在温度为-55～125℃范围内可满足低噪声放大器各项性能指标要求。

图9 温度特性对于输入反射系数S11的影响Fig.9 Influence of temperature characteristics on input reflection coefficientS11

图10 温度特性对于输出反射系数S22的影响Fig.10 Influence of temperature characteristics on output reflection coefficientS22

图11 温度特性对于增益S21的影响Fig.11 Influence of temperature characteristics on gainS21

图12 温度特性对于噪声系数NF的影响Fig.12 Influence of temperature on noise figure NF

3.4 仿真结果分析

本文提出的超宽带低噪声放大器采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺,利用ADS软件对电路进行优化仿真,电路工作带宽为4～18 GHz。由于电路采用了衬底偏置技术,其工作电压仅为0.9 V,功耗(不包括源跟随器)为5.715 mW。

本文是在室温25℃状态下的仿真结果。输入反射系数S11和输出反射系数S22的仿真结果如图13所示,可以看出S11在 4～18 GHz频带内小于-9.614 dB,显示了较好的输入匹配性能,放大器S22曲线在同带宽范围内均小于-11.68 dB。放大器(LNA)增益S21的仿真结果如图14所示,可以看出在4 ～18 GHz范围内S21有(17.34±1.39)dB,具有较高且平坦的增益。LNA的噪声系数NF的仿真结果如图15所示,可以看出NF的最小值为3.22 dB,在4 ～18 GHz范围内有(4.047±0.825)dB,具有平坦且较低的噪声系数。

除此之外,还有一个描述低噪声放大器性能的指标是品质因数(FOM)[15]。其中

式中:FOM为电路的品质因数;BW为电路允许工作的带宽;PD为电路的直流功耗。

表2总结了超宽带LNA的性能参数,并将其与近年来报道的文献进行了对比,可以看出本文LNA具有较宽的频带以及较高且平坦的增益,较低且平坦的噪声系数,较高的FOM。

图13 输入输出反射系数Fig.13 Input and output reflection coefficients

图14 增益S21仿真结果Fig.14 The simulation results of gainS21

图15 噪声系数NF仿真结果Fig.15 The simulation results of noise figure NF

4 结论

本文提出了一种基于三谐振匹配网络的超宽带低噪声放大器。利用三谐振网络的特点,提高了放大器的带宽,获得了平坦的增益、噪声系数以及较高的FOM。本文采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺,利用ADS软件对电路在室温25℃状态下进行优化仿真,在4～18 GHz带宽内超宽带低噪声放大器的增益为(17.34±1.39)dB,噪声系数为(4.047±0.825)dB。通过在电路中引入衬底偏置技术,其工作电压仅为0.9 V,功耗(不包括源跟随器)为5.715 mW。

表2 近几年超宽带低噪声放大器性能对比Tab.2 The performance comparison of ultra-wideband low noise amplifiers in recent years