適用于802.11a的低噪聲放大器設(shè)計

井 凱，莊奕琪，李振榮，呂育澤

（1.西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安710071；2重慶西南集成電路設(shè)計有限責任公司，重慶401332）

超外差接收機自Armstrong發(fā)明以來，以其高性能、高集成度、組合形式多樣和易實現(xiàn)的特點被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代無線通訊設(shè)備.接收機一般可以分為鏡像抑制型和零中頻型.雖然零中頻型接收機避免了鏡像干擾，但是由于其較大的直流失調(diào)和1／f噪聲，其性能不及鏡頻抑制型.鏡頻抑制型接收機射頻前端主要由低噪聲放大器（low noise amplifier，LNA）、鏡像濾波器和混頻器構(gòu)成，其中鏡像濾波器可以大幅抑制鏡像信號.例如，泛歐的數(shù)字無線電話系 統(tǒng) （digital enhanced cordless telecommunications，DECT）需要采用鏡像抑制比達80～100 dB的濾波器以保證接收性能.目前有多種方法可以實現(xiàn)該濾波功能.例如聲表面濾波器（surface acoustic wave，SAW）或陶瓷濾波器.但是由于該類濾波器均為片外實現(xiàn)，大大增加了集成難度，無法實現(xiàn)單片系統(tǒng)集成.相比之下，片內(nèi)陷波濾波器則無此限制.雖然無源濾波器可以實現(xiàn)零功耗的優(yōu)點［1-2］，但是片上濾波器具有低品質(zhì)因子，使得該結(jié)構(gòu)性能并不理想，這主要是由片上電感的品質(zhì)因子較低造成.雖然Kang等［3-4］提出利用晶體管負阻特性改善電感寄生以提高網(wǎng)絡(luò)整體Q值的方法可以提高決濾波性能，但是仍未繼續(xù)對功耗和尺寸進行進一步的分析和優(yōu)化.

針對上述濾波器的優(yōu)點與不足，本文提出一種新型低功耗有源陷波濾波器：基于濾波器品質(zhì)因子和鏡像頻率可調(diào)的前提，對電感進行優(yōu)化，維持諧振點不變的同時減小鏡頻輸入阻抗，優(yōu)化功耗，并設(shè)計出一款適用于802.11a協(xié)議的低噪聲放大器.

1 陷波濾波LNA的分析與設(shè)計

本文提出的鏡像抑制型SiGe HBT LNA如圖1所示，電路采用單級cascode結(jié)構(gòu)以確保高增益、低噪聲及輸入輸出高隔離度的優(yōu)點［5］.其中CDC，block為隔直電容，Cpad為pad的等效電容，Input與Output為電路的輸入輸出端口，電感LB、LE及電容C2、晶體管Q1構(gòu)成源簡并結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)噪聲優(yōu)化和阻抗匹配.電阻Rbias，電容C1和電壓Vbias用于電路直流偏置，負載CLOAD和LLOAD組成LC諧振回路以實現(xiàn)高輸出增益，同時削減鏡像信號的輸出幅值，節(jié)省電壓裕度.陷波濾波器連接在Q1集電極以實現(xiàn)鏡像頻率下輸入低阻抗和工作頻率下高阻抗這一特性，抑制鏡像頻率.

圖1 陷波濾波LNA完整電路圖Fig.1 Complete schematic of image rejection LNA

1.1 LNA輸入匹配設(shè)計

源簡并LNA小信號輸入匹配采用串聯(lián)RLC結(jié)構(gòu)［6］，圖2為輸入小信號圖，圖2中省略CDC，block和偏置部分，RS為天線等效阻抗（50Ω），B和E分別為Q1的基極和發(fā)射極，CBE和CBC為晶體管電容，gm1VBE為跨導(dǎo)電流，1／gm2為從Q2發(fā)射極看入的等效阻抗，方框IR（image rejection）為上述陷波電路.若不考慮CBC饋通影響，電路的輸入阻抗［7］可表示為

式中：Cpad為pad寄生電容，LB和LE分別為基極和發(fā)射極所加電感，C2為CBE所加的補償電容.

圖2 LNA輸入匹配電路圖Fig.2 LNA input match circuit

CBC使得1／gm與IR饋通至輸入端，并且由于陷波濾波器含有電感使得輸入阻抗表現(xiàn)出非單一的容性或感性，增大了匹配難度.為解決這一問題，可偏置Q2基極為電源電壓，通過提高Q2發(fā)射極直流電壓以增大Q1BC端反偏電壓，減小CBC，增強IR與Q1基極隔離度，弱化后級對輸入的影響［8］.這樣引起的問題是：Q2BC pn結(jié)易正偏.為避免這一情況電路采用LC并聯(lián)負載，不僅可以提高諧振點功率增益，也可以避免額外的電壓裕度，使得Q2BC結(jié)零偏以避免增益降低.圖3為LNA在3.8～6.2 GHz下引入與不引入陷波濾波器的輸入回波損耗S11結(jié)果，可見Q1的高隔離使陷波濾波器不會引入過大失配，與上述分析吻合.

1.2 有源陷波濾波器的尺寸優(yōu)化

有源陷波濾波器小信號等效圖如圖4所示，其中RLIR為電感LIR的寄生電阻，rgM1為晶體管M1的柵極寄生電阻，C5為可變電容.由小信號分析濾波器的輸入阻抗ZIN，filter為［9］

寄生電容Cpad略微影響輸入匹配.另一支路由電感、電容和等效電阻ωTLE組成，ωT為Q1截止頻率.令ωTLE為50Ω，并使電感與電容在工作點進行諧振，可得諧振頻率為

圖3 LNA輸入回波損耗仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of input reflection loss in LNA

圖4 陷波濾波器小信號電路圖Fig.4 Small-signal circuit of notch filter

式（4）中電阻RLIR與rgM1是引起陷波網(wǎng)絡(luò)低性能的原因.不難看出，減小這兩項即可大大提高網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因子，而式（4）最后一項可以實現(xiàn)該功能：通過調(diào)節(jié)I5改變gmM1，進而改變負阻以抵消正項，提高網(wǎng)絡(luò)Q值.由于該負項與頻率ω有關(guān)，為得到某一頻率下的最低阻值，需要通過調(diào)整可變電容C5來調(diào)節(jié)阻抗抵消頻點.

雖然Kang等［3-4，8］也采用了有源濾波結(jié)構(gòu)，但均未對尺寸進行優(yōu)化.本文提出新型優(yōu)化思路：對電感尺寸優(yōu)化降低RLIR，進一步減小MOS跨導(dǎo)，降低功耗.首先采用Jenei公式［10］計算電感值LS：

式中：Lself為自感，M+與M—為正負互感，n為線圈圈數(shù)，w為線寬，s為線距，N i為常數(shù)，din為電感內(nèi)徑，l為線圈總長，t為金屬厚度，μ0為真空磁導(dǎo)率.已知電感的品質(zhì)因子與寄生電阻呈反比，因此，求解鏡像頻率下最小RLIR可轉(zhuǎn)化為求解該頻點下的最大Q值.采用克隆算法［11］實現(xiàn)這一過程：首先對電感模型參數(shù)附加約束條件，并設(shè)定工藝參數(shù)和鏡像頻率，然后將線寬、線間距、圈數(shù)和螺旋線圈內(nèi)徑作為優(yōu)化變量，將max（Q）設(shè)為最終優(yōu)化的目標函數(shù)，并結(jié)合L=C這一約束條件，求得

式中：λ為極大正數(shù)，在進行算法優(yōu)化時，附加更多的約束條件可以使搜索空間減小，加快收斂速度.圖5為優(yōu)化后電感平面圖與HFSS設(shè)計的3D結(jié)構(gòu)圖.電感的尺寸被優(yōu)化到75μm×75μm，電阻阻值也得以優(yōu)化.在鏡像頻率下，電感的阻值從3.47Ω優(yōu)化到3.02Ω，品質(zhì)因子從3.19提高到3.64.

圖5 優(yōu)化電感的平面圖與三維圖Fig.5 3D structure and plan view of optimized inductor

1.3 有源陷波濾波器的功率與設(shè)計優(yōu)化

對濾波器功耗加以優(yōu)化.相較文獻［3］中的結(jié)構(gòu)，本電路額外引入C4，電感優(yōu)化使得式（4）中RLIR減小，雖然較小的gmM1即可實現(xiàn)式（4）的實部抵消，但是在鏡像頻率下負阻大于正值仍然會惡化網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因子，而引入C4則可以調(diào)整負阻，確保實部抵消.另外，若采用文獻［3］中的結(jié)構(gòu)，為維持鏡像頻點不變，減小電感值的同時必須增大CgsM1.這會增加功耗，與低功耗目標背離，而C4可兼顧頻點與電阻抵消，增加設(shè)計靈活性.對此可令

聯(lián)立式（3）、（4）和（9），忽略pad的影響，令式（4）實部為0，可得阻抗Zin，filter及鏡像頻點fim、工作頻點fop的表達式如下：

相比SAW濾波器，片內(nèi)濾波器的性能略低，可增大鏡像頻率與工作頻率間隔以弱化對濾波網(wǎng)絡(luò)的性能要求，令鏡像頻率為3.5 GHz，式（12）除以式

（11），可得：

將式（13）代入式（12），進一步簡化可得：

若電路滿足式（13），式（12）就可簡化使鏡像頻率和工作頻率僅與LIR和Ctotal有關(guān).而Ctotal與3個電容有關(guān)，在設(shè)計方面仍有困難，因此必須從功耗角度進行優(yōu)化：采用尺寸和寬長比小的M1降低功耗，減小CgsM1，令C4遠大于該值（6倍以上），則式（9）可簡化為

由于C4、C5必須同時確定鏡像頻點和實部調(diào)諧，應(yīng)仔細確定.已知Ctotal不變的情況下兩電容若有一值過于接近Ctotal，則另一電容值足夠大以滿足式（15），因此兩者不亦相差太遠；又知C5以實現(xiàn)鏡像頻率的調(diào)諧功能，因而應(yīng)弱化其對負阻調(diào)整的貢獻.令C4=0.57 p F，C5=2.1 p F，實現(xiàn)濾波器頻率和功耗的同時可調(diào)要求.

2 版圖和仿真結(jié)果

基于Jazz 0.18-μm SiGe BiCMOS 工 藝，對LNA版圖進行提參仿真，如圖6所示.電路在提取寄生電阻R，電容C以及耦合電容CC的同時，采用sonnet仿真對互感、傳輸線效應(yīng)進行估計，確保芯片仿真結(jié)果與實際結(jié)果最大程度上相符.芯片不帶pad面積為525μm×579μm，濾波器的尺寸約為170μm×200μm.所有元件均為片上實現(xiàn)，其中電容CDC，block=2 p F，C1=0.5 p F，C2=0.73 p F，C3=0.1 p F，C4=0.57 p F，C5=2.1 p F，Cload=1.8 p F，電

感LB=1.7 n H，LE=0.46 n H，LIR=1.96 n H，Lload=0.43 n H.晶體管Q1、Q2尺寸相同，均為10 μm／0.15μm，MOS管 M1為4×40μm／0.18μm.電路電壓為1.8V，總功耗為13 m W，基于功耗優(yōu)化，有源濾波器的功耗僅為0.57 m W.

圖7為電路各項仿真結(jié)果，其中圖7（a）和圖7（b）為陷波濾波器在不同電流I5下隨頻率變化的輸入角度值和阻抗幅.可以看出，不同電流下角度值變化不大，而為實現(xiàn)鏡像頻率下最優(yōu)阻抗，采用較大電流可以保證阻抗相消，當I5=370μA時性能最優(yōu).圖7（c）為LNA的各項S參數(shù)，其中輸入和輸出反射系數(shù)均小于-10 dB，滿足電路要求，增益方面鏡像頻率處出現(xiàn)較大的增益衰減，達到 -15.23 dB，而在工作頻段（5.2 G附近）可達18.52 dB.圖7（d）為LNA的噪聲仿真結(jié)果，由于噪聲與系統(tǒng)靈敏度密切相關(guān)，并且在寬頻帶系統(tǒng)下LNA的噪聲一般要小于4 d B，需要所設(shè)計LNA在工作頻率下具有較小的噪聲系數(shù).由圖7（d）可知在鏡像頻率下，由于輸入信號的大幅衰減電路呈現(xiàn)較大的噪聲，而在工作頻段下噪聲為3.1～3.4dB，符合系統(tǒng)要求.電路的整體鏡像抑制比高達33 dB，實現(xiàn)了濾波器片內(nèi)集成下的優(yōu)良性能.圖7（d）～（f）分別為LNA在fast和slow工藝角下的仿真結(jié)果，其中fast工藝角下電路的性能并沒有出現(xiàn)惡化，而增益甚至出現(xiàn)了提升；在slow工藝角下，電路的整體性能降低，表現(xiàn)為增益的降低和噪聲的增加，然而輸入和輸出匹配仍在整個頻段下小于-10 dB，滿足設(shè)計要求.圖7（g）為電路的線性性能仿真結(jié)果，可見電路在加入IR濾波器后仍能實現(xiàn)較好的線性性能，輸入3階交調(diào)點為-9.58 dBm.表1為近年來IR LNA與本電路的性能參數(shù)結(jié)果.

表1 IR LNA性能參數(shù)比較Tab.1 Performance comparisons of IR LNA

圖7 LNA仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of LNA

3 結(jié) 語

本文基于SiGe工藝設(shè)計了一款802.11a具有鏡像抑制功能的低噪聲放大器.該放大器滿足工作信號低噪聲放大的同時實現(xiàn)了可觀的鏡頻抑制.本文提出片內(nèi)濾波網(wǎng)絡(luò)的尺寸和功耗優(yōu)化，進行了相應(yīng)的理論分析和驗證，未來的進一步設(shè)計將集中在可自偏置的低溫漂型低噪聲放大器設(shè)計.結(jié)果表明：該設(shè)計方法在確保輸入輸出匹配的前提下實現(xiàn)優(yōu)良性能，對未來的超外差型射頻接收機提供結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和設(shè)計參考，具有很強的應(yīng)用價值.

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［1］GOLMAKANI A，MAFINEJAD K，KOUZANI A.Design and optimization of LNA topologies with image rejection filters［J］.International Journal of RF and Microwave Computer：Aided Engineering，2010，20（3）：286- 297.

［2］MASUDA T，SHIRAMIZU N，NAKAMURA T，et al.SiGe HBT amplifiers with high image rejection for quasi-millimeter-wave frequency range［C］∥10th Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems（SiRF2010）.New Orleans：IEEE，2010：132- 135.

［3］KANG H Y，NGUYEN T K，PYO C S，et al.Imagerejection receiver using on-chip active notch filters for 2.4-GHz band wireless communication applications［J］.Analog Integrated Circuits and Signal Processing，2013，74（3）：577- 584.

［4］BAKI K A，EL-GAMAL M N.A 1 V 0.8 mW multi-GHz CMOS differential tunable image reject notch filter［C］∥48th Midwest Symposium on Circuits and Systems.Covington：MWSCAS，2005：802- 805.

［5］CHANG J F，LIN Y S.DC-10.5 GHz complimentary metal oxide semiconductor distributed amplifier with RC gate terminal network for ultra-wideband pulse radio systems［J］.IET Microwaves，Antennas and Propagation，2012，6（2）：127- 134.

［6］CHEN H K，LIN Y S，LU S S.Analysis and design of a 1.6-28 GHz gompact wideband LNA in 90-nm CMOS using aπ-match input network ［J］.Microwave Theory and Techniques，2010，58（8）：2092- 2104.

［7］LIN Y T，CHEN H C，WANG T，et al.3-10 GHz ultra-wideband low-noise amplifier utilizing miller effect and inductive shunt-shunt feedback technique ［J］.Microwave Theory and Techniques，2007，55（9）：1832-1843.

［8］RAZAVI B.RF microelectronics［M］.2nd ed.New Jersey：Prentice Hall，2011：266- 305.

［9］MACEDO J A，COPELAND M A.A 1.9-GHz silicon receiver with monolithic image filtering［J］.Journal of Solid-State Circuits，1998，33（3）：378- 386.

［10］JENEI S，NAUWELAERS B K J C，DECOUTERE S.Physics-based closed-form inductance expression for compact modeling of integrated spiral inductors ［J］.Journal of Solid-State Circuits，2002，37（1）：77- 80.

［11］ULUTAS B H，ISLIER A A.A clonal selection algorithm for dynamic facility layout problems［J］.Manufacturing Systems，2010，28（4）：123- 131.

［12］LEE L C，ABU K B A，ALBERT V K.A 5 GHz CMOS tunable image-rejection low-noise amplifier［C］∥2006 International RF and Microwave Conference Proceedings.Putrajaya：RFM，2006：152- 156.

［13］WEI L S，WU H I，JOU C F.Design of low-voltage CMOS low-noise amplifier with image-rejection function.［J］.Electronics Letters，2008，44（16）：1- 2.