尹 強(qiáng),黃海生,曹新亮,楊 銳

(1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710121;2.延安大學(xué) 物理學(xué)與電子信息學(xué)院,陜西 延安 716000)

無線接收機(jī)系統(tǒng)在射頻集成電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用中最廣泛,也最具有挑戰(zhàn)性[1-2]。隨著移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展,移動(dòng)通訊終端對低壓低功耗的要求越來越高,也越來越迫切,能否使用更低的電壓實(shí)現(xiàn)性能良好的低噪聲放大器是能否實(shí)現(xiàn)接收終端的關(guān)鍵[3-4]。隨著深亞微米CMOS工藝的快速發(fā)展,其高頻特性和噪聲特性正在不斷提高。而CMOS工藝所獨(dú)具的工藝成熟、低成本、低功耗、高集成度以及應(yīng)用廣泛[5-6]等不可替代的優(yōu)點(diǎn)使其在實(shí)現(xiàn)射頻前端方面具有相當(dāng)大的潛力。現(xiàn)代無線通信的快速發(fā)展,使1.95～2.05 GHz能很好地用CMOS實(shí)現(xiàn),因此本文設(shè)計(jì)了一種新型的工作在此頻段上基于CMOS工藝的窄帶低噪聲放大器。

1 理論分析

1.1 關(guān)鍵單元

射頻前端收發(fā)結(jié)構(gòu)如圖1所示[7],低噪聲放大器位于射頻接收機(jī)的第一級(jí),在天線和混頻電路之間,它是射頻接收機(jī)前端的主要部分[8-10]。LNA用于放大接收機(jī)天線接收的微弱信號(hào),再經(jīng)選頻濾波器輸出至混頻器單元[11]。

圖1 射頻前端收發(fā)結(jié)構(gòu)Fig.1 RF front-end transceiver

1.2 噪聲分析

低噪聲放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種,本文采用源端電感負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的LNA,如圖2所示,選擇這種結(jié)構(gòu)的LNA原因在于其用純電抗元件使輸入阻抗為50 Ω而不增加額外的噪聲。共源管M1可提供較高的電壓增益,并呈現(xiàn)較低的噪聲系數(shù)和較高的輸入阻抗;連接共柵管M2可以有效抑制密勒效應(yīng)并提高輸出阻抗。圖3是圖2的小信號(hào)等效模型,為了簡化分析,忽略了襯底的背柵效應(yīng)以及M1、M2的柵、源、漏之間的寄生電容。

圖2 共源共柵結(jié)構(gòu)的LNAFig.2 LNA of cascode structure

式中:ωT為晶體管的截止頻率,設(shè)gm為跨導(dǎo),其表達(dá)式為

由圖2的簡化模型可以得到輸入阻抗表達(dá)式為

圖3 共源共柵結(jié)構(gòu)LNA小信號(hào)等效電路Fig.3 Small signal equivalent circuit of cascode LNA

Cgs為M1的柵源間電容。通過選擇負(fù)反饋電感Ls的值來調(diào)節(jié)實(shí)部阻抗,而虛部等效為LC串聯(lián)諧振電路。通過調(diào)節(jié)各元件的值,可以使LC串聯(lián)諧振電路在工作頻率處諧振,也就是虛部為零。即

輸出阻抗Ro表達(dá)式為

式中:ro1和ro2分別為M1管和M2管的輸出電阻;為M2管源極和襯底之間的跨導(dǎo)。假設(shè),則M2管把M1管的輸出阻抗提高至原來的倍,提高了輸出阻抗。

2 LNA電路設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)可分為四個(gè)部分:放大電路、偏置電路、輸入匹配電路和輸出匹配電路。其中核心是放大電路部分,用偏置電路來提供電源供電。本次設(shè)計(jì)采用共源共柵電路結(jié)構(gòu)(Cascode),偏置電路采用直流電壓源偏置。如圖4所示。其中M1管是共源管,作為放大電路的主放大管,提供足夠高的增益。M2管是共柵管,用來減少M(fèi)1管柵漏間電容Cgd引起的密勒效應(yīng),以增加電路的反向隔離特性,同時(shí)提高放大器的輸出阻抗。偏置電路采用直流電壓源與大電阻串聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)M1管的直流偏置,大電阻保證交流信號(hào)不會(huì)進(jìn)入直流通路。C1、L1和L2主要是實(shí)現(xiàn)輸入端口的匹配,L3、L4、C2、C3、R3為輸出端口的匹配網(wǎng)絡(luò),通過調(diào)節(jié)L3、C1和M1的寬長比控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 LNA電路結(jié)構(gòu)Fig.4 LNA circuit structure

2.2 電路參數(shù)選擇

從TSMC RF COMS 0.13 μm 工藝庫文件中查到相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters

由Cox=εox/tox可知,Cox=13.73 nF/m2。 進(jìn)一步就很容易得到μnCox的值。根據(jù)功耗要求確定電路的工作電流,從而確定偏置電壓。因?yàn)楣ぷ麟妷菏?.2 V,根據(jù)功耗要求將電路設(shè)置工作在3 mA左右,之后確定過驅(qū)動(dòng)電壓為0.1 V,把偏置電壓設(shè)置在0.4 V。低噪聲放大器的前一級(jí)對后級(jí)噪聲的影響至關(guān)重要,因此電路的噪聲性能主要由M1決定,柵寬越大,噪聲越小,但是為了能夠在規(guī)定功耗限制下設(shè)計(jì)出合理器件尺寸使噪聲系數(shù)最小,于是采用功耗約束噪聲優(yōu)化技術(shù)[12]。達(dá)到最小噪聲的最佳品質(zhì)因數(shù)公式:

式中:c為柵-漏極噪聲的相關(guān)系數(shù);γ是溝道熱噪聲系數(shù),為常數(shù);δ跟工藝相關(guān)的噪聲參數(shù),且δ=2γ。最佳品質(zhì)因數(shù)Q的取值范圍為3.5～4.5,經(jīng)過分析取Q值為4。那么在功耗約束下最優(yōu)器件柵寬計(jì)算公式[13]為

式中:L為器件有效柵長;ω為工作頻率;Cox是單位面積的柵氧化層電容;Rs為50 Ω。根據(jù)

計(jì)算出Wopt=210 μm。

考慮到功耗會(huì)偏大的影響,最終得到M1管和M2管的寬長比為:

根據(jù)得到的偏置電壓和工作電流,這時(shí)可以計(jì)算出截止頻率ωT。已知式(8)和式(9):

由式(8)、(9)和(2)可知MOS管的截止頻率ωT約為86 GHz。由噪聲系數(shù)公式:

得到噪聲系數(shù)Fmin約為0.79 dB。將輸入匹配到50 Ω可計(jì)算電感L1和L2的值。由式(1)可知在諧振頻率ω=2 GHz處可得到L1=22.8 nH,L2=0.45 nH。L3,R3,C2,L4,C3的取值可根據(jù)共源共柵結(jié)構(gòu)的等效電路和該匹配網(wǎng)絡(luò)的總等效電路實(shí)現(xiàn)輸出 50 Ω。

3 仿真及結(jié)果分析

本文提出的共源共柵結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器采用TSMC RF CMOS 0.13 μm 工藝庫,在安捷倫射頻集成電路設(shè)計(jì)工具ADS 2009平臺(tái)上進(jìn)行仿真驗(yàn)證[14]。在1.2 V電源電壓下,電路的靜態(tài)功耗為3 mW,中心工作頻率為2 GHz。

如圖5所示,在中心頻率2 GHz處,穩(wěn)定因子大約為4.26,并且穩(wěn)定因子在整個(gè)通帶內(nèi)都大于1,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

S參數(shù)隨頻率變化的曲線如圖6所示,在中心頻率2 GHz處,S(1,1)=-31.03 dB,S(2,2)=-34.80 dB,實(shí)現(xiàn)了很好的輸入輸出阻抗匹配;S(2,1)=18.96 dB,說明電路具有足夠高的增益。噪聲系數(shù)仿真如圖7所示,在2 GHz處,噪聲系數(shù)為1.15 dB,與計(jì)算的較小噪聲系數(shù)相差0.36 dB。1 dB壓縮點(diǎn)(P1dB)仿真結(jié)果如圖8所示,該LNA的輸入1 dB壓縮點(diǎn)為-9.0 dBm,滿足一定的線性指標(biāo)要求。

最終進(jìn)行了版圖設(shè)計(jì)及繪制,LNA的整體版圖如圖9所示,面積為0.18 mm2。

圖5 LNA的穩(wěn)定因子仿真Fig.5 Stability factor simulation of LNA

圖6 LNA的S參數(shù)仿真Fig.6 S-parameter simulation of LNA

圖7 LNA的噪聲系數(shù)仿真Fig.7 Noise figure simulation of LNA

圖8 LNA的1 dB壓縮點(diǎn)仿真Fig.8 Compression point of LNA simulation at 1dB

圖9 LNA的版圖Fig.9 Layout of LNA

經(jīng)過仿真驗(yàn)證,本文又與近年來已發(fā)表的有關(guān)文獻(xiàn)中LNA的性能指標(biāo)進(jìn)行了比較,如表2所示,本文所設(shè)計(jì)的LNA在功耗、噪聲、匹配和線性度等方面具有一定的優(yōu)勢。

表2 本文LNA的性能與其他文獻(xiàn)的比較Tab.2 Comparison of the performance of the LNA and other thesises

4 結(jié)論

本文分析并設(shè)計(jì)了一個(gè)采用共源共柵結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器。電路采用 TSMC RF CMOS 0.13 μm工藝,工作在中心頻率為2 GHz處。在1.2 V工作電源下,靜態(tài)功耗僅為3 mW,為整個(gè)系統(tǒng)提供18.96 dB的增益,噪聲系數(shù)為1.15 dB,輸入輸出匹配均在-30 dB以下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的低噪聲放大器具有較好的性能,滿足移動(dòng)通信主流標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA 2 GHz射頻前端的要求。