邵翔鹏,张万荣,丁春宝,张卿远,高　栋,周孟龙,鲁　东,霍文娟

(北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京 100124)



低功耗宽带CMOS低噪声放大器*

邵翔鹏,张万荣*,丁春宝,张卿远,高栋,周孟龙,鲁东,霍文娟

(北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京 100124)

摘要:实现了一款低功耗的宽带低噪声放大器(LNA)。该低噪声放大器由三级电路组成,由于每一级都采用了电流复用技术,显著地降低了功耗。在电路中产生负零点来抵消极点,提高增益平坦度。低Q值电路拓展带宽。经0.18 μm TSMC CMOS工艺仿真验证,在3 V的电源电压下,功耗仅为4.89 mW。另外在1 GHz～4.5 GHz频带范围内,电压增益(S21)为(14.8±0.4)dB,噪声系数(NF)介于3.1 dB～4.2 dB之间,输入、输出反射系数(S11、S22)均小于-10 dB。在4 GHz时,输入三阶交调点(IIP3)达到-11 dBm。结果表明该LNA性能良好。

关键词:低噪声放大器;低功耗;电流复用;CMOS

低噪声放大器一般位于接收机的第1级,用于放大从天线接收到的有用信号,其性能不仅制约了整个接收系统的性能[1],而且对于整个接收系统技术水平的提高,也起了决定性的作用[2-4]。随着通信、电子对抗、微波测量等向着宽频带、低噪声、小型化方向发展,低噪声放大器得到越来越广泛的重视[5]。性能优异的低噪声放大器的要求是:良好的线性度、低的噪声系数、足够高的增益、良好的输入输出匹配和低的功耗[6-7]。但是要想同时达到这几个条件是非常困难的,所以要根据要求对各性能进行折衷。能源问题在现如今社会愈显突出,低功耗的条件也因此愈发重要。

论文安排如下:第1章节部分给出放大器的原理与设计,第2章节部分展示仿真验证结果,最后为结论部分。

1　放大器的原理与设计

本文的低功耗放大器由输入级、中间级以及输出级组成。输入级放大器应有低的噪声系数,良好的输入匹配。良好的输入匹配可以减小回波损耗,信号受到干扰更小,传输更有效。中间级弥补第1级为阻抗匹配而牺牲的放大倍数,使放大器的增益系数达到要求。输出级实现了在宽带范围内的输出阻抗匹配。三级采用了三重电流复用,如图1所示,虚线框里的电路结构均采用电流复用技术。

图1　三重电流复用的电路结构

1.1输入级的设计

1.1.1输入级的阻抗匹配

图2(a)是传统的电流复用放大器,一个PMOS一个NMOS组合成的电流复用放大器,相比于两级NMOS做成放大器,功耗降低了近两倍,具有很高的效率。2个晶体管都由Vin驱动,输出摆幅比其他类型的放大器大很多[8]。图2(b)是本文提出的输入级电流复用技术,电感L1、L2可以抵消掉从输入端看进去的由于电容CF产生的输入阻抗的虚部。

图2　电流复用结构图

输入匹配的S11是衡量输入阻抗匹配是否良好的首要参数,其表达式如下:

(1)

从输入端看进去的输入阻抗为:Zin=(ZF+Z1‖Z2)‖Zcgs,由此得出:

(2)

(3)

由式(3)可知,Zin由实部和虚部组成。为了使式(1)尽量小,Γin=(Zin-Zs)/(Zin+Zs),S11=-20lg(Γin),尽可能的调整Zin使输入阻抗的实部尽可能和源阻抗Zs相等,Zin的虚部尽可能的为0。这样,在宽带范围内拥有良好的输入匹配。由此可以推出:

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

1.1.2输入级的增益

图2(a)的增益只是2GmRds,加入一个电感与电阻串联的负载如图2(b),电容CF的加入引入了极点,为了抵消该极点,引入了阻抗随频率增加的元件电感L,引入了一个零点,拓展了带宽,增益系数有所增大。

1.2中间放大级的设计

为了提高输入匹配,牺牲了放大器第1级的增益,所以级联了中间级放大器。如图3所示。此电路图为图1中间虚线框内电路图的去偏置简化示意图,并采用了第2重电流复用技术,在高频情况下大的电容Cg1相当于使M3源极接地。在漏端引入了电感作为增加带宽手段。Cn为下一级的寄生电容。

图3　中间级电路图

1.3输出级放大器的设计

图1最下面的虚线框为输出级放大器,高频情况下大电容Cg2相当于使M4漏极接地。如图4所示,为输出级放大器。前面两级的增益系数已经足够大,所以,最后一级需具有良好的输出匹配。输出阻抗匹配可由S参数来表征。Γout=(Zout-ZL)/(Zout+ZL),S22=-20lg(Γout)。此时,忽略寄生效应的Ro4Ro5的影响,Zout=1/Gm4,调整M4管的宽长比,使S22符合要求。

图4　输出级电路图

1.4放大器的整体增益和噪声

放大器的增益可表示为AV1AV2AV3。因为输出级的增益系数约为1,所以进一步简化增益表达式为:AV1AV2。整体增益的表达式为:

为了使低声放大器具有良好的增益平坦度,需要

在高频情况下,闪烁噪声、散粒噪声一般都被忽略,只考虑热噪声。由于第2、第3级的噪声相对于第1级噪声对系统的影响较小,所以我们计算的时候忽略掉,由此可得总的噪声系数为:

(4)

图7　4 GHz条件下LNA的IIP3

2　仿真验证

本文提出的LNA采用0.18 μm TSMC CMOS工艺实现,采用安捷伦公司的ADS(Advanced Design System)仿真软件进行了仿真验证。图5为S参数示意图,由图可看出:在1 GHz～4.5 GHz频带范围内电压增益S21为14.4 dB～15.2 dB,输入反射系数S11整个频带内小于-10 dB,输出反射系数S22整个频带内小于-13 dB,输入输出驻波比都小于2.0。图6是此电路的噪声系数NF仿真结果示意图,在整个频带内NF介于3.1 dB～4.2 dB。图7为本文提出的放大器的 IIP3在4 GHz时的仿真结果。从图可以看出,在功耗低的条件下IIP3可以达到-11 dBm。

图5　1 GHz～6 GHz内S参数

图6　1 GHz～6 GHz内噪声系数

表1对本文的LNA进行了性能总结,同时和其他的CMOS宽带LNA进行了比较。由表1可以看出,本文提出的低噪声放大器具有良好的噪声性能,较高的增益,低功耗尤为明显。

表1　近期发表的各种LNA的比较

a在5GHz条件下,b 在4 GHz条件下,c 为均值,N/A 没有具体数值。

3　结论

本论文提出了低功耗宽带低噪声放大器的电路结构,由输入级、中间级、输出级组成,每一级都采用电流复用技术,极大地降低了功耗,在3 V电源电压下,功耗只有4.9 mW。输入级采用电阻、电容负反馈配合并联电感结构,实现了输入阻抗匹配,并联电感提高了增益系数。中间级采用并联电感手段,取低Q值电路,拓展带宽,使工作频带达到1 GHz～4.5 GHz。输出级在宽带范围内提供了良好的输出阻抗匹配。采用三级放大器,使增益在工作频带内达到(14.8±0.4)dB。功耗、噪声、增益、带宽和输入输出匹配这几项参数性能良好,适用于射频接收机的前端。

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邵翔鹏(1990-),男,汉族,江苏省宿迁市人,就读于北京工业大学,现为硕士研究生,主要从事射频集成电路的研究,singasin@sina.com;

张万荣(1964-),男,河北省人,教授,博士生导师,现为北京工业大学射频器件与射频集成电路研究室主任,主要从事射频器件和射频集成电路的研究,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

中图分类号:TN22.3

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)05-0908-04

收稿日期:2013-09-10修改日期:2013-09-28

项目来源:国家自然基金项目(60776051);北京市自然基金项目(4142007,4143059)