文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191323
中文引用格式: 陳利,劉艷艷. 一種應(yīng)用于低電壓GPS接收機的高線性度低噪聲放大器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2020,,46(3):10-13.
英文引用格式: Chen Li,Liu Yanyan. A high linearity LNA for low voltage GPS receiver[J]. Application of Electronic Technique,,2020,,46(3):10-13.
0 引言
近些年來,,隨著無線通信系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的便攜式電子產(chǎn)品向著低功耗,、高集成度的方向發(fā)展,。GPS服務(wù)因其能夠?qū)崟r追蹤和導(dǎo)航的優(yōu)點,現(xiàn)已成為無線通信設(shè)備不可或缺的功能[1-3],。而低噪聲放大器(LNA)作為GPS接收機前端的第一級有源器件,,其性能顯著影響著整個接收機的性能,。因此對LNA噪聲、功耗,、線性度等性能指標(biāo)提出了越來越嚴(yán)苛的要求,。
GPS接收機接收到的信號非常微弱,盡管1 dB壓縮點能夠較為輕易地滿足,,但同樣也要避免某些特定環(huán)境下由于干擾信號引入造成的非線性失真,。例如軍用或某些特定商業(yè)用途中,當(dāng)人為干擾信號存在時,,對GPS接收機的線性度要求會大大提高,。本文在跨導(dǎo)導(dǎo)數(shù)疊加技術(shù)[4]的基礎(chǔ)上,采用體偏壓控制的跨導(dǎo)導(dǎo)數(shù)疊加技術(shù)[5],,數(shù)倍提高了補償三次非線性系數(shù)輔助管的調(diào)節(jié)精度,。通過在輸入端主放大管的柵源兩端并聯(lián)電容的方法[6],降低二次諧波對三階交調(diào)失真的影響,,進(jìn)一步改善了線性度,。同時,采用折疊式共源共柵的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7],,降低了電路的工作電壓,。
1 消除三次非線性
MOS管的三階非線性是LNA三階交調(diào)失真的主要來源。工作在飽和區(qū)的共源級MOS管,,其漏極電流id關(guān)于柵源電壓vgs的泰勒級數(shù)展開式為:
而跨導(dǎo)的非線性導(dǎo)致了共源級放大器的非線性,。由共源級LNA的輸入三階交調(diào)點(IIP3)表達(dá)式[8]:
可知,為了提高IIP3,,應(yīng)盡量減小三次非線性系數(shù)gm3的值,,即減小跨導(dǎo)gm的二階偏導(dǎo)gm″的值。為此,,有學(xué)者提出跨導(dǎo)導(dǎo)數(shù)疊加技術(shù),,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,由主放大管Ma和輔助放大管Mb并聯(lián)組成,。主放大管的柵極電壓Vbias1和輔助放大管的柵極電壓Vbias1-Vshift分別確保主放大管Ma和輔助放大管Mb工作在強反型區(qū)和弱反型區(qū),。通過調(diào)整M1和M2的寬長比和偏置條件,使得主放大管Ma與輔助放大管Mb兩者跨導(dǎo)的二階偏導(dǎo)gm″正負(fù)峰值對齊,,如圖2所示,。從而令兩者三次非線性系數(shù)之和接近于零,進(jìn)而改善共源級LNA的線性度,。
在此基礎(chǔ)上,,本文采用體偏壓控制的跨導(dǎo)導(dǎo)數(shù)疊加技術(shù)如圖3所示,主放大管M1和輔助放大管M2使用相同的柵壓Vbias,根據(jù)閾值電壓Vth的計算公式:
其中,,Vth0是VBS為0時的閾值電壓,,γ為體效應(yīng)系數(shù),φS為表面勢參數(shù),,VBS為襯源電勢差,,L1與L2組成滑動變阻器。通過調(diào)節(jié)VBS的大小令輔助管M2工作在弱反型區(qū),。當(dāng)輔助放大管M2分別由柵壓Vbias1-Vshift和體偏壓Vbs控制時,,掃描各自的偏置電壓Vbias1和Vbias。Vshift取值范圍在0.08 V~0.23 V時,,與Vbs取值范圍在-0.30 V~-1.08 V時,,兩者都會得到由M2a到M2b一簇近似相同的曲線,如圖4所示,。即兩種技術(shù)能夠產(chǎn)生相同的補償三次非線性系數(shù)的效果,。盡管兩種不同技術(shù)使得輔助管M2表現(xiàn)出相似的gm″曲線,但采用體偏壓控制的跨導(dǎo)導(dǎo)數(shù)疊加技術(shù)的控制電壓Vbs的范圍,,是傳統(tǒng)跨導(dǎo)導(dǎo)數(shù)疊加技術(shù)控制電壓Vshift的5.2倍,,因此能夠在工藝、電壓,、溫度變化的影響下,更為精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)gm″的曲線,。
2 削弱二次非線性的影響
當(dāng)在共源級LNA輸入端輸入頻率相近的雙音信號時,,在輸出節(jié)點產(chǎn)生的二次諧波,通過寄生的柵源電容和柵漏電容反饋路徑,,與輸入信號再次由于跨導(dǎo)的二次非線性產(chǎn)生三次非線性項,,進(jìn)而惡化線性度。本文采用折疊式共源共柵的結(jié)構(gòu),,大大削弱了通過柵漏電容反饋路徑的影響,,同時通過在主放大管柵源兩端并聯(lián)電容的方法,削弱了由于跨導(dǎo)二次非線性對LNA線性度的影響,。
當(dāng)考慮到二次非線性對線性度的影響時,,共源級LNA的IIP3可以表示為[6]:
其中,gm是MOS管的跨導(dǎo),,ω為工作頻率,,Ls為源極簡并電感,Cgs0為MOS管的柵源電容,,Cadd為MOS管柵源兩端并聯(lián)的電容,,Lg為柵極電感。通過導(dǎo)數(shù)疊加技術(shù),,gm″的影響可以近似忽略,。在MOS管柵源兩端并聯(lián)電容Cadd,,式(5)中IIP3的分母gm′項中由于Cadd的引入,降低了二次非線性對三階交調(diào)失真的影響,,從而進(jìn)一步改善線性度,。
3 電路設(shè)計
本文提出的應(yīng)用于低電壓GPS接收機的高線性度低噪聲放大器結(jié)構(gòu)如圖5所示。主放大管M1與共柵管PM1組成折疊式共源共柵結(jié)構(gòu),,降低了工作電壓,。輸入端的主放大管M1管與Ls構(gòu)成源簡并電感結(jié)構(gòu),能夠在窄帶實現(xiàn)良好的輸入匹配,,同時獲得較低的噪聲系數(shù),。主放大管M1管與輔助放大管M2管利用體偏壓控制的跨導(dǎo)導(dǎo)數(shù)疊加技術(shù),能夠極大地削弱三次非線性項gm2的影響,,進(jìn)而大幅改善低噪聲放大器的線性度,。Cadd用于削弱二次非線性對LNA線性度的影響。M3,、R1,、R2與PM2、R4分別為M1,、M2與PM1提供偏置電壓,,L2與C2實現(xiàn)輸出匹配。
4 仿真結(jié)果與分析
基于TSMC 0.18 μm RFCOMS工藝,,利用Cadence Spectre RF進(jìn)行調(diào)試并仿真,。在0.9 V工作電壓下,最終測試的S參數(shù)如圖6所示,。S11與S22分別為-32.43 dB和-24.58 dB,,LNA能夠與前后級實現(xiàn)良好的匹配。S21為13.16 dB,,能為GPS接收機在第一級提供足夠的增益,。測試的噪聲系數(shù)如圖7所示,LNA在工作頻率1.575 GHz時的噪聲系數(shù)為1.53 dB,。最終測試的IIP3如圖8所示,,LNA的IIP3為6.63 dBm,在低電壓下表現(xiàn)出較好的線性度,。且LNA的功耗為8.78 mW,,符合低功耗的設(shè)計要求。將本文設(shè)計的LNA與已發(fā)表的相關(guān)論文作對比,,如表1所示,。結(jié)果表明,本文設(shè)計的LNA在低電壓條件下,噪聲性能及線性度具有一定優(yōu)勢,。
5 結(jié)論
本文采用體偏壓控制的跨導(dǎo)導(dǎo)數(shù)疊加技術(shù)在有效提高低噪聲放大器線性度的基礎(chǔ)上,,數(shù)倍提高了gm″的調(diào)節(jié)精度。通過增加補償電容的方法,,降低二次諧波對三階交調(diào)失真的影響,,進(jìn)一步改善了線性度。同時采用折疊式共源共柵的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,有效降低了工作電壓,。仿真結(jié)果表明,在0.9 V供電電壓下,,工作頻率為1.575 GHz時,,功耗為8.78 mW,IIP3為6.63 dBm,,噪聲系數(shù)為1.53 dB,,同時該電路能夠提供13.16 dB的增益,并能實現(xiàn)良好的輸入輸出匹配,。
參考文獻(xiàn)
[1] CHENG K W,,NATARAJAN K,ALLSTOT D J.A current reuse quadrature GPS receiver in 0.13 μm CMOS[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,,2010,,45(3):510-523.
[2] HEIBERG A C,BROWN T W,,IEZ T S,,et al. A 250 mV,352 μW GPS receiver RF front-end in 130 nm CMOS[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,,2011,46(4):938-949.
[3] WANG C,,LIU J,,LIAO H,et al.1.8 dB NF 3.6 mW CMOS active balun low noise amplifier for GPS[J].Electronics Letters,,2010,,46(3):239.
[4] THACKER M B,AWAKHARE M,,KHOBRAGADE R H,,et al.Multi-standard highly linear CMOS LNA[C].International Conference on Electronic Systems,IEEE Computer Society,,2014.
[5] DAI R,,ZHENG Y,ZHU H,et al.A high gain and high linearity current‐reused CMOS LNA using modified derivative superposition technique with bulk-bias control[J].Microwave & Optical Technology Letters,,2014,,56(10):2444-2446.
[6] JIN T H,KIM T W.A 5.5-mW 9.4-dBm IIP3 1.8-dB NF CMOS LNA employing multiple gated transistors with capacitance desensitization[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,,2010,,58(10):2529-2537.
[7] HSIEH H H,WANG J H,,LU L H.Gain-Enhancement techniques for CMOS folded cascode LNAs at low-voltage operations[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,,2008,56(8):1807-1816.
[8] RASTEGAR H,,SARYAZDI S,,HAKIMI A.A low power and high linearity UWB low noise amplifier(LNA) for 3.1-10.6 GHz wireless applications in 0.13 μm CMOS process[J].Microelectronic Journal,2013,,44(3):201-209.
[9] MECWAN A I,,DEVASHRAYEE N M.Linearity improvement of LNA using derivative superposition:issues and challenges[C].International Conference on Cloud Computing,2017.
[10] 高麗娜,,龐建麗.一種并發(fā)雙頻段CMOS LNA的分析與設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,44(12):13-16.
[11] 宋飛,,蔡俊,,李楊,等.射頻LNA的低噪聲LDO電源設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,,44(5):29-32.
作者信息:
陳 利,劉艷艷
(天津市光電子薄膜器件與技術(shù)重點實驗室,,天津300350)