《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種并發(fā)雙頻段CMOS LNA的分析與設(shè)計(jì)
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
高麗娜,,龐建麗
黃淮學(xué)院,,河南 駐馬店463000
摘要: 基于0.13 μm CMOS工藝,設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于WLAN IEEE 802.11 a/b/g標(biāo)準(zhǔn)的并發(fā)雙頻段低噪聲放大器(LNA),。為了在功耗限制下同時(shí)實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)和輸入阻抗的匹配,,采用共源共柵電感退化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該LNA在2.4 GHz和5.2 GHz下,,輸入發(fā)射系數(shù)分別為-16.7 dB和-19.5 dB,,正向增益分別為16.8 dB和17.2 dB。而且在2.4 GHz和5.2 GHz下,,噪聲系數(shù)分別取得了3.1 dB和3.2 dB,,輸入三階截止點(diǎn)分別為-18.5 dBm和-16.5 dBm。該LNA在1.2 V電壓供電下,,所消耗的功耗為2.64 mW,。
中圖分類(lèi)號(hào): TN432
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181244
中文引用格式: 高麗娜,龐建麗. 一種并發(fā)雙頻段CMOS LNA的分析與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,,44(12):13-16.
英文引用格式: Gao Lina,Pang Jianli. Analysis and design of a cocurrent dual-band CMOS low noise amplifier[J]. Application of Electronic Technique,2018,,44(12):13-16.
Analysis and design of a cocurrent dual-band CMOS low noise amplifier
Gao Lina,,Pang Jianli
Huanghuai University,Zhumadian 463000,,China
Abstract: A concurrent dual-band low noise amplifier(LNA) targeted for WLAN IEEE 802.11 a/b/g standards is designed using 0.13 μm CMOS process. To attain the power-constrained simultaneous noise figure and input matching, cascode inductive degeneration topology is adopted. The LNA achieves input reflection coefficients of -16.7 dB and -19.5 dB, forward gains of 16.8 dB and 17.2 dB at 2.4 GHz and 5.2 GHz, respectively. Furthermore, the LNA exhibits noise figures of 3.1 dB and 3.2 dB while input third-order intercept points of -18.5 and -16.5 dBm at 2.4 and 5.2 GHz, respectively. The LNA dissipates 2.64 mW of power from a 1.2 V supply.
Key words : dual-band,;low noise amplifier(LNA);low power consumption,;high gain

0 引言

    隨著無(wú)線(xiàn)應(yīng)用的快速發(fā)展,,要求通信系統(tǒng)具有更寬的帶寬以及更快的輸出傳輸率。由于窄帶系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足這些需求,,操作于2.4 GHz~5.2 GHz的寬帶系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,,然而寬帶系統(tǒng)引入的帶外干擾退化了系統(tǒng)的靈敏度[1-2]。為了解決這種問(wèn)題,,可以用同時(shí)操作于兩個(gè)不同頻段的窄帶系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),。

    作為接收機(jī)系統(tǒng)的第一級(jí)模塊,低噪聲放大器LNA用于放大射頻輸入信號(hào)的功率以及抑制系統(tǒng)信噪比的退化,。為了實(shí)現(xiàn)多頻段工作,,文獻(xiàn)[3]-[6]提出了一種開(kāi)關(guān)LNA,該電路在一個(gè)時(shí)刻工作于一個(gè)頻段,,然而該結(jié)構(gòu)的延遲較大,。文獻(xiàn)[7]-[8]提出了一種并行LNA,雖然可以同時(shí)工作于兩個(gè)頻段,,然而卻是以犧牲功耗為代價(jià)的,。為了在較低的功耗下實(shí)現(xiàn)LNA的雙頻段工作,需要設(shè)計(jì)一種并發(fā)的雙頻段LNA,,這就需要對(duì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙頻段設(shè)計(jì),。

    本文在對(duì)多種雙頻段匹配網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)上,對(duì)帶通和帶阻濾波器相連的形式進(jìn)行改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)電路的雙頻段工作,。傳統(tǒng)的帶通和帶阻濾波器相連的結(jié)構(gòu),,可能會(huì)引起增益幅度的不平衡。而本文提出新穎的雙頻段匹配網(wǎng)絡(luò),,可以在不使用帶阻濾波器的情況下,,實(shí)現(xiàn)較高增益幅度的平衡。

1 雙頻段輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

    以往文獻(xiàn)提出了一種并聯(lián)帶通和帶阻濾波器實(shí)現(xiàn)的雙頻段輸出匹配網(wǎng)絡(luò),,如圖1所示[9],,其中,L1和C1構(gòu)成帶通濾波器,,L2和C2構(gòu)成帶阻濾波器,,信號(hào)通過(guò)電容Cc2耦合到輸出端,,帶通濾波器和帶阻濾波器分別在諧振頻率ωs處產(chǎn)生一個(gè)通帶、一個(gè)阻帶,,這樣就產(chǎn)生了兩個(gè)帶通信號(hào),,并且這兩個(gè)帶通信號(hào)的中心頻率ω1和ω2分別發(fā)生于圖1所示的P1點(diǎn)和P2點(diǎn)處。由圖1所示,,如果將該電路應(yīng)用于輸出匹配網(wǎng)絡(luò),,那么LNA在工作頻率ω1和ω2處會(huì)出現(xiàn)明顯的增益下降問(wèn)題。而且,,如圖2所示,,如果諧振頻率ωs1略低于或者略高于ωs時(shí),LNA的增益退化更嚴(yán)重,。例如,,當(dāng)ωs1s時(shí),LNA在較高的頻段處產(chǎn)生較低的增益,;相反,當(dāng)ωs1s時(shí),,LNA在較低的頻段處產(chǎn)生較低的增益,,會(huì)出現(xiàn)增益的非平衡問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題,,本文提出了一種新穎的雙頻段輸出匹配網(wǎng)絡(luò),。

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    為了在兩個(gè)工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)高增益的平衡,可以采用兩個(gè)帶通濾波器串聯(lián)的形式,,如圖3所示,,兩個(gè)帶通濾波器分別諧振于2.4 GHz和5.2 GHz處,并且該形式并沒(méi)有用到帶阻濾波器電路,。

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2 并發(fā)雙頻段LNA設(shè)計(jì)

    圖4所示即為本文所提出的并發(fā)雙頻段LNA,,該電路采用基于源極電感退化技術(shù)的共源共柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),晶體管M1和M2分別為共源放大器和共柵放大器,,它們連接組成共源共柵結(jié)構(gòu),。為了進(jìn)一步改善輸入和輸出之間的隔離度,引入由晶體管M3和M4組成的輸出緩沖級(jí),,M3作為源級(jí)跟隨器,,M4作為輸出緩沖級(jí)的電流源。為了在功耗限制下實(shí)現(xiàn)較低的噪聲系數(shù),,在晶體管M1的源極引入電感Ls[10],,而電容Cex的引入則是為了在保證良好的輸入匹配情況下,進(jìn)一步優(yōu)化電路的噪聲系數(shù)[11],。為了實(shí)現(xiàn)雙頻段輸入阻抗網(wǎng)絡(luò),,采用由L3和C3組成的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與窄帶LNA輸入匹配網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的形式,,窄帶LNA輸入匹配網(wǎng)絡(luò)則由源極電感Ls、柵極電感Lg和柵源極間外加電容Cex組成,。而且,,在輸入端、輸出端以及共源共柵結(jié)構(gòu)和輸出緩沖級(jí)之間分別引入耦合電容Cc1,、Cc3和Cc2,。

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    整體接收機(jī)的噪聲性能主要取決于第一級(jí)的LNA模塊。圖5給出了LNA電路輸入級(jí)噪聲分析的小信號(hào)等效電路,。

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    經(jīng)計(jì)算得,,輸入網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)噪聲阻抗Zopt為:

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    將式(6)的實(shí)部和虛部分開(kāi)得到:

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    假設(shè)Kc等于1,那么可得Zopt的虛部等于Zin虛部的負(fù)值,,因而,,通過(guò)對(duì)參數(shù)的認(rèn)真選取,可以使式(11)和式(12)成立,,由式(9)和式(10)可見(jiàn),,需要使得Zin和Zopt的實(shí)部分別與源阻抗Zs的實(shí)部和虛部相等,然而,,由式(4)可見(jiàn),,由于Zopt的實(shí)部在兩個(gè)不同頻率處有偏差[2],因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)噪聲匹配,。為了實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)在兩個(gè)頻段處的平衡,,將式(4)重寫(xiě)為:

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3 芯片實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

    基于SMIC 0.13 μm CMOS工藝,采用Cadence軟件對(duì)圖4所示的并發(fā)雙頻段LNA電路進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真并流片實(shí)現(xiàn),,圖6所示即為流片實(shí)現(xiàn)的LNA芯片照片,,芯片大小為740 μm×670 μm。LNA在1.2 V電壓供電條件下,,消耗了2.2 mA的電流,、2.64 mW的功耗。

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    圖7給出了正向增益S21,、輸入發(fā)射系數(shù)S11以及輸出發(fā)射系數(shù)S22的測(cè)試結(jié)果,,在2.4 GHz和5.2 GHz處,正向增益分別取得了16.8 dB和17.2 dB的較高數(shù)值,,可見(jiàn)在兩個(gè)不同頻段下,,正向增益相差無(wú)幾,只相差0.4 dB,,實(shí)現(xiàn)了雙頻段處的增益平衡,。輸入發(fā)射系數(shù)在2.4 GHz和5.2 GHz處,分別為-16.7 dB和-19.5 dB,,輸出發(fā)射系數(shù)在兩個(gè)頻率處分別取得了-18.3 dB和-11.4 dB,,輸入輸出發(fā)射系數(shù)性能較優(yōu),。

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    圖8給出了噪聲系數(shù)NF的實(shí)測(cè)結(jié)果,在2.4 GHz和5.2 GHz處,,噪聲系數(shù)分別為3.1 dB和3.2 dB,,兩者僅僅相差0.1 dB,再次驗(yàn)證了所提出技術(shù)的有效性,。并且由功率特性測(cè)試結(jié)果可知,,在2.4 GHz處,輸入三階截止點(diǎn)IIP3為-18.5 dBm,,在5.2 GHz處,,輸入三階截止點(diǎn)IIP3為-16.5 dBm。與文獻(xiàn)[12]~[13]中所設(shè)計(jì)的LNA相比,,本文所提出的LNA在正向增益和功耗方面具有較優(yōu)的性能,,并且正向增益和噪聲系數(shù)在兩個(gè)頻段處具有更平衡的幅度。

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4 結(jié)論

    本文提出了一種新型的并發(fā)雙頻段LNA,,該電路嵌有改進(jìn)的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)以改善增益的平衡度,。基于SMIC 0.13 μm CMOS工藝對(duì)本文提出的并發(fā)雙頻段LNA進(jìn)行了驗(yàn)證,,芯片實(shí)測(cè)結(jié)果表明,,在兩個(gè)不同的頻段下,增益僅相差0.4 dB,,實(shí)現(xiàn)了雙頻段處的增益平衡,并且噪聲系數(shù)僅相差0.1 dB,,再次驗(yàn)證了所提出技術(shù)的有效性,。

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作者信息:

高麗娜,,龐建麗

(黃淮學(xué)院,河南 駐馬店463000)

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