一種可抑制PVT偏差影響的LNA偏置電路研究

王 斌

(江蘇廣播電視大學江都學院，江蘇 揚州 225200)

一種可抑制PVT偏差影響的LNA偏置電路研究

王 斌

(江蘇廣播電視大學江都學院，江蘇 揚州 225200)

盡量減小制造工藝、電源電壓和溫度給集成電路帶來的偏差是現(xiàn)代集成電路設(shè)計的一項重要工作，現(xiàn)就這3個偏差進行理論分析，并提出一種應用于低噪聲放大器(LNA)PVT偏差抑制的偏置電路，同時給出相關(guān)測試結(jié)果。

PVT偏差；偏置電路；抑制

1 PVT偏差

現(xiàn)代集成電路中通常含有大量有源器件(MOS晶體管)和無源器件(電阻、電容、電感)，它們的特性都會受到PVT(Process，Voltage，Temperature)偏差的影響。Process Corner是指“工藝角”，工藝上將NMOS和PMOS晶體管的速度波動范圍限制在由快NFET和快PFET、慢NFET和慢PFET、快NFET和慢PFET、慢NFET和快PFET 4個角所確定的矩形內(nèi)，通常左下角的corner(最小值)、中心(均值)、右上角的corner(最大值)就是集成電路仿真時所說的SS、TT和FF工藝角，它們受到制造工藝的限制。Voltage指的是集成電路的偏置電壓，由于MOS管是電壓控制元件，所以電壓值對電路性能的影響比較大，一般在設(shè)計中不希望偏置電壓隨外電源的變化而改變。Temperature指工作環(huán)境的溫度，溫度的變化會影響載流子的遷移速度，使器件的參數(shù)產(chǎn)生改變，通常也希望建立與溫度無關(guān)的電路結(jié)構(gòu)。

PVT偏差對LNA(低噪聲放大器)性能的影響，主要體現(xiàn)在LNA的輸入和輸出阻抗失配，從而導致電路的增益下降和噪聲惡化。對于輸出端來說，匹配的惡化主要是由于不同工藝角的變化使無源器件的大小偏離了標稱值，導致匹配頻率點發(fā)生偏移；對于輸入端來說，主要是因為晶體管的閾值電壓和載流子遷移速率隨著PVT偏差發(fā)生了變化，使電路跨導隨之改變，從而導致輸入失配。所以，在LNA的設(shè)計中必須想辦法對PVT偏差進行有效的抑制。

2 PVT偏差的抑制方法

2.1 工藝角偏差的抑制

當前減少工藝角偏差對電路的影響主要有2種方法：一是電路采用非最小尺寸設(shè)計，晶體管的W(寬)和L(長)應大于工藝規(guī)定的最小值至少一個數(shù)量級；二是冗余設(shè)計，就是在測試芯片后根據(jù)結(jié)果再對電路進行校正。但是在實際的LNA設(shè)計過程中，2種辦法都存在各自的問題，第一種方法不能達到最佳尺寸，從而會嚴重影響LNA的噪聲性能；第二種方法要求電路冗余很多，這樣寄生參數(shù)會很大，電路設(shè)計困難，且成本也很高。在LNA設(shè)計中更多的是通過改進電路結(jié)構(gòu)或改善偏置的方法來彌補工藝角偏差對電路的影響。

2.2 電壓偏差的抑制

簡單偏置源一般對外置電源有很大的依賴性，即偏置電壓(電流)與電源電壓存在一定的比例關(guān)系，實際的工作電壓會隨電源電壓變化。為了獲得與電源無關(guān)的偏置，就不能直接采用電源電壓來設(shè)計偏置電路的電壓，而要采用一些對電源不敏感的標準量。相關(guān)研究結(jié)果表明，采用自舉偏置法(也稱自偏置法)可以大大改善參考電壓同電源的不相關(guān)性，它不是通過用一個電阻接到電源來產(chǎn)生參考電流，而是依靠電流源本身的輸出電流來決定參考電流。如果這種接法形成的反饋回路具有穩(wěn)定的工作點，流入電路的電流與簡單電阻偏置相比，受電源電壓的影響很小，其特點是電路具有恒定的跨導。具體電路如圖1所示。

圖1 跨導恒定偏置電路

由圖示電路分析可以得到：M1、M2形成電流鏡，M3、M4也形成電流鏡，參考電流為IREF，即流過M1的電流，直接鏡像于流過M2的電流，即輸出電流IOUT。很明顯得到IREF與IOUT是相等的。同時可以證明此時輸出電流為：

(1)

式中，K為組成電流鏡的管長之比。

如果忽略晶體管有限輸出電阻的影響，則IREF和IOUT與電源電壓Vdd幾乎無關(guān)，達到消除電源電壓偏置影響的目的。此時電路中每一個晶體管的跨導為：

(2)

整個LNA電路的跨導為βgm1(β為偏置電流IREF的放大倍數(shù))。

不過上述電路的性能還是與工藝和溫度有關(guān)。同時因為該電路存在一個正反饋環(huán)路，當電路中沒有電流時，環(huán)路穩(wěn)定使得晶體管始終不會導通，所以實際使用的時候要利用一個啟動電路消除這種狀態(tài)。

2.3 溫度偏差的抑制

與溫度無關(guān)的偏置的基本工作原理是：將2個具有相反溫度系數(shù)的量以適當?shù)臋?quán)重相加，就會獲得零溫度系數(shù)的量。一般來說，雙極性晶體管的特性參數(shù)具有最好的重復性，并具有能提供正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)的量。雙極性晶體管的基極—發(fā)射極電壓VBE或者PN結(jié)二極管的正向電壓具有負溫度系數(shù)；如果2個雙極性晶體管工作在不相等的電流密度下，那么它們的基極—發(fā)射極電壓的差值就具有正溫度系數(shù)。當然集成度要求比較高時也可以使用MOS管來替代電路中的雙極性晶體管。利用上述的正、負溫度系數(shù)的電壓就可設(shè)計出與溫度無關(guān)的偏置，即帶隙基準源。具體電路如圖2所示。

圖2 帶隙基準源電壓參考電路

對電路進行分析可以得到：晶體管M1、M2和M3的寬長比相同，三者構(gòu)成一個等比例的電流鏡，運算放大器用來鉗制晶體管M1、M2的漏極電壓，使加在電阻R1上的電壓為2三極管的基極—發(fā)射極電壓的差量。可以證明流過電阻R1、三極管Q1和三極管Q2的電流為：

(3)

該電流具有正溫度系數(shù)，即PTAT電流。

(4)

這樣就形成了與溫度無關(guān)的偏置電壓，但是該電路對工藝角的變化還是比較敏感的。

3 綜合抑制PVT偏差的偏置電路

當電路采用一個與電源無關(guān)的偏置或與溫度無關(guān)的偏置做基準源時，可較好地解決電源電壓偏差和溫度偏差對低頻電路性能的影響，但卻難以抑制工藝角偏差對電路的影響。綜合考慮3方面因素，我們提出了一種可以補償PVT偏差對晶體管跨導的影響的偏置電路(圖3)。

圖3 綜合抑制PVT偏差的LNA偏置電路

圖中左起第一個虛線框內(nèi)的電路是啟動電路；左二虛線框內(nèi)的電路是常見的恒定跨導偏置，是正溫度系數(shù)(PTAT)的電流發(fā)生器，該電流對電源電壓的變化不敏感，當晶體管M1和M2工作在飽和區(qū)時，該PTAT電流對電阻R1的工藝角和溫度變化較敏感，但是如果晶體管M1和M2工作在亞閾值區(qū)，PTAT電流就不會受到電阻R1的工藝角和溫度偏差影響了；右二虛線框內(nèi)的電路是閾值參考電路，該電路的輸出阻抗非常大，因此對后級負載的變化不敏感。采用該偏置方法使得電路的跨導保持恒定，從而可使LNA的輸入匹配不隨PVT偏差而變化；通過電阻R2的是負溫度系數(shù)(CTAT)電流發(fā)生器的電流；右一虛線框內(nèi)的電路是參考電流合成器，合成具有正溫度系數(shù)的參考電流；為了消除PVT偏差對LNA電路的影響，就要保證在任何工藝角下使用PTAT電流源對LNA進行偏置，通過調(diào)節(jié)電阻R2的大小改變CTAT電流的大小，就可以使參考電流變?yōu)槟硞€剛好能補償載流子遷移率負溫度特性的正溫度特性電流。

對該偏置以溫度為變量進行直流掃描分析，得到不同工藝角下與溫度和電源電壓的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 不同工藝角下與溫度和電源電壓的關(guān)系測試結(jié)果

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，同一種工藝角下不同電源電壓之間的偏置電壓相差不大，小于20 mV，而不同工藝角之間的偏置電壓相差很大，在SS和FF兩種極端工藝角之間的偏置電壓大小相差約90 mV；此外還可發(fā)現(xiàn)各種工藝角下的偏置電壓具有近似相同的微弱正溫度系數(shù)。

4 結(jié)語

本電路較好地解決了PVT偏差對電路的影響，具有一定的工程應用價值。

[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，江蘇江都人，碩士研究生，講師，研究方向：電子和計算機。