低功耗寬帶CMOS低噪聲放大器*

邵翔鵬,張萬榮,丁春寶,張卿遠,高　棟,周孟龍,魯　東,霍文娟

(北京工業大學電子信息與控制工程學院,北京 100124)

?

低功耗寬帶CMOS低噪聲放大器*

邵翔鵬,張萬榮*,丁春寶,張卿遠,高棟,周孟龍,魯東,霍文娟

(北京工業大學電子信息與控制工程學院,北京 100124)

摘要:實現了一款低功耗的寬帶低噪聲放大器(LNA)。該低噪聲放大器由三級電路組成,由于每一級都采用了電流復用技術,顯著地降低了功耗。在電路中產生負零點來抵消極點,提高增益平坦度。低Q值電路拓展帶寬。經0.18 μm TSMC CMOS工藝仿真驗證,在3 V的電源電壓下,功耗僅為4.89 mW。另外在1 GHz～4.5 GHz頻帶范圍內,電壓增益(S21)為(14.8±0.4)dB,噪聲系數(NF)介于3.1 dB～4.2 dB之間,輸入、輸出反射系數(S11、S22)均小于-10 dB。在4 GHz時,輸入三階交調點(IIP3)達到-11 dBm。結果表明該LNA性能良好。

關鍵詞:低噪聲放大器;低功耗;電流復用;CMOS

低噪聲放大器一般位于接收機的第1級,用于放大從天線接收到的有用信號,其性能不僅制約了整個接收系統的性能[1],而且對于整個接收系統技術水平的提高,也起了決定性的作用[2-4]。隨著通信、電子對抗、微波測量等向著寬頻帶、低噪聲、小型化方向發展,低噪聲放大器得到越來越廣泛的重視[5]。性能優異的低噪聲放大器的要求是:良好的線性度、低的噪聲系數、足夠高的增益、良好的輸入輸出匹配和低的功耗[6-7]。但是要想同時達到這幾個條件是非常困難的,所以要根據要求對各性能進行折衷。能源問題在現如今社會愈顯突出,低功耗的條件也因此愈發重要。

論文安排如下:第1章節部分給出放大器的原理與設計,第2章節部分展示仿真驗證結果,最后為結論部分。

1　放大器的原理與設計

本文的低功耗放大器由輸入級、中間級以及輸出級組成。輸入級放大器應有低的噪聲系數,良好的輸入匹配。良好的輸入匹配可以減小回波損耗,信號受到干擾更小,傳輸更有效。中間級彌補第1級為阻抗匹配而犧牲的放大倍數,使放大器的增益系數達到要求。輸出級實現了在寬帶范圍內的輸出阻抗匹配。三級采用了三重電流復用,如圖1所示,虛線框里的電路結構均采用電流復用技術。

圖1　三重電流復用的電路結構

1.1輸入級的設計

1.1.1輸入級的阻抗匹配

圖2(a)是傳統的電流復用放大器,一個PMOS一個NMOS組合成的電流復用放大器,相比于兩級NMOS做成放大器,功耗降低了近兩倍,具有很高的效率。2個晶體管都由Vin驅動,輸出擺幅比其他類型的放大器大很多[8]。圖2(b)是本文提出的輸入級電流復用技術,電感L1、L2可以抵消掉從輸入端看進去的由于電容CF產生的輸入阻抗的虛部。

圖2　電流復用結構圖

輸入匹配的S11是衡量輸入阻抗匹配是否良好的首要參數,其表達式如下:

(1)

從輸入端看進去的輸入阻抗為:Zin=(ZF+Z1‖Z2)‖Zcgs,由此得出:

(2)

(3)

由式(3)可知,Zin由實部和虛部組成。為了使式(1)盡量小,Γin=(Zin-Zs)/(Zin+Zs),S11=-20lg(Γin),盡可能的調整Zin使輸入阻抗的實部盡可能和源阻抗Zs相等,Zin的虛部盡可能的為0。這樣,在寬帶范圍內擁有良好的輸入匹配。由此可以推出:

lm{Zin}=sL+1/(sCF)=0

1.1.2輸入級的增益

圖2(a)的增益只是2GmRds,加入一個電感與電阻串聯的負載如圖2(b),電容CF的加入引入了極點,為了抵消該極點,引入了阻抗隨頻率增加的元件電感L,引入了一個零點,拓展了帶寬,增益系數有所增大。

1.2中間放大級的設計

為了提高輸入匹配,犧牲了放大器第1級的增益,所以級聯了中間級放大器。如圖3所示。此電路圖為圖1中間虛線框內電路圖的去偏置簡化示意圖,并采用了第2重電流復用技術,在高頻情況下大的電容Cg1相當于使M3源極接地。在漏端引入了電感作為增加帶寬手段。Cn為下一級的寄生電容。

圖3　中間級電路圖

1.3輸出級放大器的設計

圖1最下面的虛線框為輸出級放大器,高頻情況下大電容Cg2相當于使M4漏極接地。如圖4所示,為輸出級放大器。前面兩級的增益系數已經足夠大,所以,最后一級需具有良好的輸出匹配。輸出阻抗匹配可由S參數來表征。Γout=(Zout-ZL)/(Zout+ZL),S22=-20lg(Γout)。此時,忽略寄生效應的Ro4Ro5的影響,Zout=1/Gm4,調整M4管的寬長比,使S22符合要求。

圖4　輸出級電路圖

1.4放大器的整體增益和噪聲

放大器的增益可表示為AV1AV2AV3。因為輸出級的增益系數約為1,所以進一步簡化增益表達式為:AV1AV2。整體增益的表達式為:

為了使低聲放大器具有良好的增益平坦度,需要

在高頻情況下,閃爍噪聲、散粒噪聲一般都被忽略,只考慮熱噪聲。由于第2、第3級的噪聲相對于第1級噪聲對系統的影響較小,所以我們計算的時候忽略掉,由此可得總的噪聲系數為:

(4)

圖7　4 GHz條件下LNA的IIP3

2　仿真驗證

本文提出的LNA采用0.18 μm TSMC CMOS工藝實現,采用安捷倫公司的ADS(Advanced Design System)仿真軟件進行了仿真驗證。圖5為S參數示意圖,由圖可看出:在1 GHz～4.5 GHz頻帶范圍內電壓增益S21為14.4 dB～15.2 dB,輸入反射系數S11整個頻帶內小于-10 dB,輸出反射系數S22整個頻帶內小于-13 dB,輸入輸出駐波比都小于2.0。圖6是此電路的噪聲系數NF仿真結果示意圖,在整個頻帶內NF介于3.1 dB～4.2 dB。圖7為本文提出的放大器的 IIP3在4 GHz時的仿真結果。從圖可以看出,在功耗低的條件下IIP3可以達到-11 dBm。

圖5　1 GHz～6 GHz內S參數

圖6　1 GHz～6 GHz內噪聲系數

表1對本文的LNA進行了性能總結,同時和其他的CMOS寬帶LNA進行了比較。由表1可以看出,本文提出的低噪聲放大器具有良好的噪聲性能,較高的增益,低功耗尤為明顯。

表1　近期發表的各種LNA的比較

a在5GHz條件下,b 在4 GHz條件下,c 為均值,N/A 沒有具體數值。

3　結論

本論文提出了低功耗寬帶低噪聲放大器的電路結構,由輸入級、中間級、輸出級組成,每一級都采用電流復用技術,極大地降低了功耗,在3 V電源電壓下,功耗只有4.9 mW。輸入級采用電阻、電容負反饋配合并聯電感結構,實現了輸入阻抗匹配,并聯電感提高了增益系數。中間級采用并聯電感手段,取低Q值電路,拓展帶寬,使工作頻帶達到1 GHz～4.5 GHz。輸出級在寬帶范圍內提供了良好的輸出阻抗匹配。采用三級放大器,使增益在工作頻帶內達到(14.8±0.4)dB。功耗、噪聲、增益、帶寬和輸入輸出匹配這幾項參數性能良好,適用于射頻接收機的前端。

參考文獻:

[1]陳駿,李海華.一種S波段低噪聲放大器的設計[J].電子器件,2013,36(2):206-210.

[2]王健.無線通信系統中低功耗低噪聲放大器的研究和設計[D].四川:電子科技大學,2007:1-5.

[3]吳劍鋒,秦會斌,黃海云,等.低功耗CMOS射頻低噪聲放大器的設計[J].電子器件,2009,32(1):56-59.

[4]楊柯,趙暉,徐棟麟,等.一種3.3 V 2-GHz CMOS低噪聲放大器[J].微電子學,2004,34(3):322-325.

[5]尤志剛,鄧立科,楊小軍,等.基于反饋技術的寬帶低噪聲放大器的設計[J].通信技術,2011,2(44):149-150,153.

[6]劉玉靜,溫幸饒,趙紅東.CMOS 3-5 GHz超寬帶低噪聲放大器的設計[J].河北工業大學學報,2010,39(5):64-67.

[7]Wang H R,Zhang L,Yu Z P.A Wideband Inductorless LNA with Local Feedback and Noise Cancelling for Low-Power Low-Voltage Applications[J].IEEE Trans circ Syst I:RegPap,2010,57(8):1993-2005.

[8]Allen P E,Holberg D R.CMOS Analog Circuit Design[M].New York:Oxford University Press,2002:168-180.

[9]Thomas H Lee.The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits[M].BeiJing:Publishing House of Electronics Industry,2012:92-103,270-275.

[10]何小威,李晉文,張民選.1.5～6 GHz增益和噪聲系數穩定的兩級超寬帶CMOS低噪聲放大器設計與性能模擬[J].電子學報,2010,38(7):1668-1672.

[11]Su J F,Fu Z Q,Yuan H Q,et al.An Ultra-Wideband CMOS Low Noise Amplifier for 3 GHz～5 GHz UWB Wireless Receivers[C]//IEEE ASIC 7th International Conference.Guilin,Guangxi,China.2007:407-410.

[12]陳樹維,王春華,曹小東.低電壓低功耗寬帶CMOS低噪聲放大器的設計[J].微電子學,2012,42(5):627-631.

[13]Gao M K,Wang Y,Wang Y F,et al.Design of Wideband CMOS LNA with Active Inductor and Using Noise-Canceling Technique[C]//3rd Int Conf Anti-Counterfeiting,Security,Identification Communication.Hong Kong,China.2009:262-265.

[14]Blaakmeer S C,Klumperink E A M,Leenaerts D M W,et al.Wideband Balun-LNA with Simultaneous output Balancing,Noise-Cancelling and Distortion-Cancelling[J].IEEE Solid-State Circuits,2008,43(6):1341-1350.

[15]Chen K H,Lu J H,Chen B J,et al.An Ultra-Wide-Band 0.4～10 GHz LNA in 0.18 μm CMOS[J].IEEE Transcation on Circuits System,2007,54(3):217-221.

邵翔鵬(1990-),男,漢族,江蘇省宿遷市人,就讀于北京工業大學,現為碩士研究生,主要從事射頻集成電路的研究,singasin@sina.com;

張萬榮(1964-),男,河北省人,教授,博士生導師,現為北京工業大學射頻器件與射頻集成電路研究室主任,主要從事射頻器件和射頻集成電路的研究,wrzhang@bjut.edu.cn。

Low-PowerConsumptionBroadbandCMOSLowNoiseAmplifier*

SHAOXiangpeng,ZHANGWanrong*,DINGChunbao,ZHANGQingyuan,GAODong,ZHOUMenglong,LUDong,HUOWenjuan

(College of Electronic Information and Control Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

Abstract:A low-power broadband low noise amplifier(LNA)was demonstrated.The LNA is composed of three stages,by utilizing current reuse configuration at each stage of the amplifier,power consumption decreases noticeably.Negative zero is generated in the circuit to cancel the negative pole and improve gain flatness.It has broadened the band with the use of the low Q value circuit.Verified by 0.18 μm standard CMOS process,this LNA consumes only 4.89mW with a 3 V power supply.In addition,over the 1 GHz～4.5 GHz band,voltage gain(S21)maintains 14.8 dB±0.4 dB,noise figure(NF)swings from 3.1 dB to 4.2 dB,input reflection(S11)and output reflection(S22)are less than -10 dB.The value of input intercept point(IIP3)is -11dBm at 4 GHz.The results suggest that performance of the LNA is favorable.

Key words:low noise amplifier;low power consumption;current reuse;CMOS

doi:EEACC:122010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.024

中圖分類號:TN22.3

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0908-04

收稿日期:2013-09-10修改日期:2013-09-28

項目來源:國家自然基金項目(60776051);北京市自然基金項目(4142007,4143059)