一种用于计算机无线电接收机中的超宽带LNA规划

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，研讨方向：计算机无线收发前端硬件电路规划

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，该电路包括有三个反相器结构的增益级，而且嵌有本地反应电阻以完成宽带输入阻抗匹配的意图。而且，在第三级电路中，在电流偏置晶体管周围并联一个电容，以改进电路增益以及差分信号的相位。根据TSMC 0.13 μm CMOS工艺进行规划，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，仅耗费了10.8 mW的功耗。

0 导言

　　跟着计算机以及960 MHz超宽带接收机体系的快速开展，而且为了下降芯片面积以及电路的复杂度，超宽带低噪声放大器LNA得到了迅猛开展。传统的无电感宽带LNA电路，例如并联反应结构和共栅晶体管结构，并不能一起完成宽带输入匹配网络以及噪声系数的最优化[3-4]。根据共模噪声按捺以及优秀的奇次谐波非线性特性的长处，差分结构得到了越来越广泛的重视，可是，LNA的前级模块天线的确单端结构，为了发挥差分电路结构的优越性，能够选用巴伦电路，可是巴伦的芯片面积过大，为了替代巴伦，呈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供给宽带输入匹配网络。尽管共栅晶体管级引起的热噪声被差分输出结构所按捺^[6]，可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，假设选用有源器材替代，则可能会由于工艺动摇问题导致偏置点的漂移。为了战胜以上问题，本文提出了一款新颖的S2D宽带LNA电路，该电路能够一起完成高增益、低噪声以及宽带输入匹配网络等优秀功能，而且在没有引进电感的前提下，供给差分信号的输出。

1 提出的LNA电路

　　传统的并联反应放大器电路如图2所示，该电路能够一起完成自偏置和输入阻抗匹配的意图。输入阻抗Rin可表示为：

　　其间，γ为MOS晶体管体效应系数，尽管，相比较无反应结构的LNA而言，噪声系数有所改进，可是并不能一起完成输入阻抗匹配、增益以及噪声系数的最优化。

　　为了完成LNA功能的最优化，本文提出了一种新颖的S2D LNA电路结构，如图3所示，该电路包括有三个反相器结构的放大器电路，在后两级电路中，引进了本地反应电阻R_F1和R_F2，意图是为了完成电路的自偏置，安稳直流偏置点。榜首级电路引进了反应网络，该反应网络由R_B1、R_B2、R_B和差分放大器组成，反应网络的引进避免了由工艺动摇所导致的输出偏置点的漂移。电容C_IS用于阻隔晶体管M_P1和M_N1的栅极偏置，优化电路偏置点^[7]。

　　为了到达电路的高增益方针，图3所示电路的前两级需求供给满足的开环增益，榜首级电路晶体管选用较大的尺度，以供给较高的电路增益，并按捺后级电路的噪声反应，第二级电路晶体管选用相对较小的尺度，按捺由前级电路所导致的带宽削减问题，第三级电路起到缓冲级的效果，用以阻隔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，以改进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，经过对晶体管M_S3和电容C_S3参数的合理挑选，退化网络可为电路供给额定的增益和适宜的相位推迟，而且差分结构的输出极大地改进了奇次谐波的非线性特性。每一级的电压增益A₁、A₂、A₃和全体电压增益A_V可表示为：

　　由于LNA的输入阻抗可由第二级电压增益A2进行调理，而噪声系数NF独立于A2，因此本文所提出的电路可经过第二级电路的调理，一起完成输入阻抗匹配和噪声系数的最优化。

2 仿真成果与剖析

　　根据TSMC 0.13 μm CMOS工艺，选用Cadence软件，对本文提出的LNA进行电路规划并进行地图绘画，图4即为本文所提出的LNA电路地图，后仿真成果表明，电路在1.3 V电压供电下，耗费了10.8 mW的功耗。图5所示给出了仿真得到的S₁₁和S₂₂的成果，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成果。

　　图6所示为S₂₁和S₁₂的仿真成果，由图可见增益S₂₁取得了最大值为17.4 dB的数值，而且在整个频段内增益都大于12.5 dB，取得了较高的增益，阻隔度S₁₂在整个仿真频段内，均低于-25 dB，能够有效地阻隔后级电路关于LNA功能的影响。

　　图7所示为噪声系数NF的仿真成果，取得了最低值仅为1.2 dB的优秀成果，在整个频段内的噪声系数也没有到达3 dB。

　　图8给出了输入三阶交调截止点IIP₃跟着频段改动的仿真成果，在整个频段内，IIP₃优于-6 dBm，而且取得了-0.78 dBm的最优值，IIP₃能够经过优化电路的偏置，进一步得到改进，为了更好地验证该LNA的宽带特性，别离选用10 MHz、25 MHz和50 MHz频率距离的双音测试法对IIP₃进行仿真，IIP₃的值跟着频率距离的改动并没有产生显着的改动。

　　表1所示给出了本文规划的LNA与以往文献规划的宽带LNA的比照数据^[8-9]，相比较于文献[8]而言，本文的功耗仅耗费了不到其三分之一，尽管增益略低了2.1 dB，可是噪声系数和IIP₃远优于其成果，而比照于文献[9]，尽管本文电路功耗略大，可是噪声系数和IIP₃较优，全体来看，本文规划的LNA取得了更优的频率规模和更低的噪声系数、IIP₃和功耗。

3 定论

　　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，该电路包括有三个反相器结构的增益级，而且嵌有本地反应电阻以完成宽带输入阻抗匹配的意图。在后两级电路中，引进了本地反应电阻，以完成电路的自偏置，安稳直流偏置点。而且，在第三级电路中，在电流偏置晶体管周围并联一个电容，以改进电路增益以及差分信号的相位，根据TSMC 0.13 μm CMOS工艺对该LNA进行仿真规划，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，噪声系数到达了1.2 dB的最小值，而且电路在1.3 V电压供电下，仅耗费了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，欢迎您写论文时引证，并注明出处。