一种用于计算机无线电接收机中的超宽带LNA设计

作者 / 曾渌麟 陈汶滨 西南石油大学计算机科学学院(四川 成都 610500)

　　曾渌麟，男，汉族，1993年09月生，四川宜宾人，硕士生，研究方向：计算机无线收发前端硬件电路设计

摘要：本文提出了一种无电感单端转差分宽带低噪声放大器LNA，该电路包含有三个反相器结构的增益级，并且嵌有本地反馈电阻以实现宽带输入阻抗匹配的目的。而且，在第三级电路中，在电流偏置晶体管旁边并联一个电容，以改善电路增益以及差分信号的相位。基于TSMC 0.13 μm CMOS工艺进行设计，该宽带LNA在0 GHz～1.4 GHZ的频段内，取得了17.4 dB的最大增益，-5.3 dBm的最小输入三阶交调截止点IIP3，1.2 dB的最小噪声系数。该电路在1.3 V电压供电下，仅消耗了10.8 mW的功耗。

0 引言

　　随着计算机以及960 MHz超宽带接收机系统的快速发展，并且为了降低芯片面积以及电路的复杂度，超宽带低噪声放大器LNA得到了迅猛发展。传统的无电感宽带LNA电路，例如并联反馈结构和共栅晶体管结构，并不能同时实现宽带输入匹配网络以及噪声系数的最优化[3-4]。基于共模噪声抑制以及优良的奇次谐波非线性特性的优点，差分结构得到了越来越广泛的关注，然而，LNA的前级模块天线确实单端结构，为了发挥差分电路结构的优越性，可以采用巴伦电路，但是巴伦的芯片面积过大，为了取代巴伦，出现了一种单端转差分(S2D)宽带LNA结构^[5]，图1所示即为传统的S2D LNA结构，电路由共源晶体管级和共栅晶体管级相级联构成，共栅晶体管级为电路提供宽带输入匹配网络。虽然共栅晶体管级引起的热噪声被差分输出结构所抑制^[6]，但是由电流源或偏置电阻组成的偏置电路IB会引起较大的噪声，假如采用有源器件代替，则可能会由于工艺波动问题导致偏置点的漂移。为了克服以上问题，本文提出了一款新颖的S2D宽带LNA电路，该电路可以同时实现高增益、低噪声以及宽带输入匹配网络等优良性能，并且在没有引入电感的前提下，提供差分信号的输出。

1 提出的LNA电路

　　传统的并联反馈放大器电路如图2所示，该电路可以同时实现自偏置和输入阻抗匹配的目的。输入阻抗Rin可表示为：

　　其中，γ为MOS晶体管体效应系数，虽然，相比较无反馈结构的LNA而言，噪声系数有所改善，但是并不能同时实现输入阻抗匹配、增益以及噪声系数的最优化。

　　为了实现LNA性能的最优化，本文提出了一种新颖的S2D LNA电路结构，如图3所示，该电路包含有三个反相器结构的放大器电路，在后两级电路中，引入了本地反馈电阻R_F1和R_F2，目的是为了实现电路的自偏置，稳定直流偏置点。第一级电路引入了反馈网络，该反馈网络由R_B1、R_B2、R_B和差分放大器组成，反馈网络的引入防止了由工艺波动所导致的输出偏置点的漂移。电容C_IS用于隔离晶体管M_P1和M_N1的栅极偏置，优化电路偏置点^[7]。

　　为了达到电路的高增益目标，图3所示电路的前两级需要提供足够的开环增益，第一级电路晶体管采用较大的尺寸，以提供较高的电路增益，并抑制后级电路的噪声反馈，第二级电路晶体管采用相对较小的尺寸，抑制由前级电路所导致的带宽减少问题，第三级电路起到缓冲级的作用，用以隔离下级模块对其的影响。

　　电容C_S3并联晶体管M_S3，组成RC退化网络，以改善电路增益以及差分信号的相位，退化网络的电阻Z_S=r_oS3+1/sC_S3，通过对晶体管M_S3和电容C_S3参数的合理选择，退化网络可为电路提供额外的增益和合适的相位延迟，并且差分结构的输出极大地改善了奇次谐波的非线性特性。每一级的电压增益A₁、A₂、A₃和总体电压增益A_V可表示为：

　　因为LNA的输入阻抗可由第二级电压增益A2进行调节，而噪声系数NF独立于A2，因而本文所提出的电路可通过第二级电路的调节，同时实现输入阻抗匹配和噪声系数的最优化。

2 仿真结果与分析

　　基于TSMC 0.13 μm CMOS工艺，采用Cadence软件，对本文提出的LNA进行电路设计并进行版图绘画，图4即为本文所提出的LNA电路版图，后仿真结果表明，电路在1.3 V电压供电下，消耗了10.8 mW的功耗。图5所示给出了仿真得到的S₁₁和S₂₂的结果，可见在整个频段内，输入反射系数S₁₁均低于-17.5 dB，输出反射系数S₂₂均低于-10 dB，取得了较好的输入输出匹配结果。

　　图6所示为S₂₁和S₁₂的仿真结果，由图可见增益S₂₁取得了最大值为17.4 dB的数值，并且在整个频段内增益都大于12.5 dB，取得了较高的增益，隔离度S₁₂在整个仿真频段内，均低于-25 dB，可以有效地隔离后级电路对于LNA性能的影响。

　　图7所示为噪声系数NF的仿真结果，取得了最低值仅为1.2 dB的优良结果，在整个频段内的噪声系数也没有达到3 dB。

　　图8给出了输入三阶交调截止点IIP₃随着频段变化的仿真结果，在整个频段内，IIP₃优于-6 dBm，并且取得了-0.78 dBm的最优值，IIP₃可以通过优化电路的偏置，进一步得到改善，为了更好地验证该LNA的宽带特性，分别采用10 MHz、25 MHz和50 MHz频率间隔的双音测试法对IIP₃进行仿真，IIP₃的值随着频率间隔的改变并没有发生明显的变化。

　　表1所示给出了本文设计的LNA与以往文献设计的宽带LNA的对比数据^[8-9]，相比较于文献[8]而言，本文的功耗仅消耗了不到其三分之一，虽然增益略低了2.1 dB，但是噪声系数和IIP₃远优于其结果，而对比于文献[9]，虽然本文电路功耗略大，但是噪声系数和IIP₃较优，整体来看，本文设计的LNA取得了更优的频率范围和更低的噪声系数、IIP₃和功耗。

3 结论

　　本文提出了一款应用于计算机无线电接收机中的无电感宽带S2D LNA电路，该电路包含有三个反相器结构的增益级，并且嵌有本地反馈电阻以实现宽带输入阻抗匹配的目的。在后两级电路中，引入了本地反馈电阻，以实现电路的自偏置，稳定直流偏置点。而且，在第三级电路中，在电流偏置晶体管旁边并联一个电容，以改善电路增益以及差分信号的相位，基于TSMC 0.13 μm CMOS工艺对该LNA进行仿真设计，仿真得到所提出的LNA取得了17.4 dB的最大增益，输入反射系数S11在很宽的频段内均低于-17.5 dB，噪声系数达到了1.2 dB的最小值，并且电路在1.3 V电压供电下，仅消耗了10.8 mW的功耗。

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　　本文来源于《电子产品世界》2018年第10期第61页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。