增益自适应高频低噪声放大器的单片集成设计研究

2022-04-30 11:30:02 | 浏览次数：

摘要：高频低噪声放大器(LNA)是无线通讯设备关键器件之一。由于无线通讯设备特别是移动通讯设备使用环境的条件限制，往往需要LNA器件具有自适应增益功能，以保证接收信号的稳定性。拟设计一款具有自适应增益控制的高频LNA单片集成电路,以TSMC 0.18 μm的RF-CMOS器件模型和工艺参数，给出一个增益范围在0~17 dB、噪声抑制比为0.2 dB,适用于DCS1800手机中的1.8 GHz增益自适应CMOS放大器电路。

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关键词：射频集成电路；低噪声放大器；增益自适应;CMOS

中图分类号：TN722.3 文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2008)11-056-04

Research on the Monolithic Circuit Design of High-frequency LNA with AGC

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SUN Yu，CHEN Huajun,WU Suntao,GUO Donghui

(Xiamen University,Xiamen,361005,China)

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Abstract：High-frequency Low-Noise Amplifier (LNA) is one of the key devices about wireless communication equipment.As wireless communication equipment in particular the use of mobile communication equipment environmental conditions,often require LNA having the function of gain adaptive,in order to ensure the stability of signal reception.This paper is intended to design a high-frequency adaptive gain control of LNA monolithic integrated circuits.This paper used TSMC-0.18 μm RF-CMOS device model and gain adaptive CMOS amplifier circuit are given with process parameters in a gain of 0~17 dB,the noise suppression than 0.2 dB ,applying to the DCS1800 phones.

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Keywords：RF-IC； low noise amplifier；adaptive gain control;CMOS

1 引言

作为无线通讯系统中的关键器件模块，低噪声放大器(LNA)是把从天线接收来的信号进行低噪声放大的电路模块。由于从天线接收来的信号强度变化大，噪声干扰大，所以低噪声放大器电路往往需要具有增益自适应变化控制功能，且保持有噪声抑制功能。对此，许多射频LNA的设计采用双模设计的模式，即当输入信号较小时，调高LNA的增益，而当输入信号较大时，则适当调低LNA的增益，以满足后续电路的高线性度处理要求^[1]。但这种双模式LNA电路设计的增益变化并非连续可调，不能保证足够的线性度要求，因此增益连续可调的LNA电路设计已成为近年来的研究热点^[2-4]。

目前增益连续可调的LNA电路设计一般是采用外加控制电路来实现输入偏置的调整，以达到LAN增益的自适应变化控制的目的，但它往往不能保证低噪声的性能。本文则采用设计了一款自适应反馈输出阻抗控制的LNA电路，其独立于混频器等后续电路，可连续控制增益自适应，不影响原有LNA的低噪声系数的最佳性能。优化设计出一款最大增益为17 dB、噪声抑制比为0.2 dB的适用于DCS1800手机中的增益自适应LAN芯片电路。

2 增益自适应LAN电路原理

射频系统前端使用的低噪声放大器一般可以采用MOS器件源极串联电感反馈匹配共源电路来设计^[5-8]。它是利用源简并电感来实现输入阻抗匹配，可得到较好信号放大和噪声抑制功能。图1是该低噪声放大器的基本电路原理图。

图1 源简并电感型共源低噪声放大器

其中，Vs是射频信号源，Rs是信号源内阻，Ls是源简并电感，Lg是栅极电感。为了保证MOS管M1构成电路达到输入匹配的要求，Ls和Lg的取值^[5,8]可分别设计为：



Ls=RsωT(1)

Lg=1ω20Cgs－Ls

(2)



其中，ω0是工作频率，Cgs是MOS管M1的栅源寄生电容,ωT是MOS管M1的特征频率，可表示^[9]为ωT=3μ(Vgs－Vt)2L2,式中L是MOS管M1的栅长，μ是迁移率，Vgs,Vt分别是MOS管M1的栅源电压和阈值电压。为了保证低功耗，LNA最佳噪声性能的MOS管M1栅宽可设计为^[6] ：

因此，通常情况下自适应增益放大器是通过调整Vgs来实现的。

但是，Vgs的调整通常是通过输入直流偏置来实现的，不可避免会影响已优化低噪声的输入匹配设计，为此，我们设计如图2的自适应增益低噪声放大器电路结构，它是通过调整可变输出阻抗Zout来实现Av的自适应控制的。即当从天线接收到的信号RFin减弱时，经前置放大后的输出信号电平Vout减弱，二极管峰值包络检波器提取电平Vav及经低通滤波后得到电平V1均减弱的，这样通过与基准电平Vref比较放大来控制可变输出阻抗Mo，也就使输出阻抗Zout增大达到自适应增益LNA的增益Av增大的目的。

图2 自适应增益LAN的电路原理框图

显然，图2所给的自适应增益电路可能存在不稳定问[CM(21*2]题，为了分析该电路的稳定性，可以把该电路看成双端输[CM)]

入输出网络，即可采用微波理论S参数进行分析。要保证该自适应电路的稳定性，其电路参数须满足按下面不等式 ［11]，即：

稳定因子:



K=1－S112－S222+S11*S22－S21*S1222S21S12

>1(5)



且中间因子:

其中，S11为反映输入端阻抗匹配的输入端反射系数，S21为反映反向隔离性能的从输出端传输到输入端的反向增益S12(亦称反向传输系数)，S21为正向增益,S22反映输出端阻抗匹配的输出端反射系数S22。

3 CMOS集成电路设计

要设计单片集成的图2自适应增益LAN电路，可以采用标准CMOS工艺器件来设计。考虑到MOS器件在集成电路中的其他因素如温度变化、衬底噪声等共模参数的影响，该电路中的各放大电路均采用差分输入放大电路来实现。而差分LNA的差模交流小信号输入相当于差分放大器电路的其中一端接地^{[8，12，13]}，因此，差分LNA电路的主要参数Ls，Lg，Wopt设置方法与单端LNA电路设计类似。

如图3所示，我们给出可单片集成的自适应增益LNA电路，其中Ms1，Ms2是共源级主放大管,共栅管Mg1，Mg2用以减少Ms1，Ms2的米勒电容的影响。Ms1，Ms2的源极反馈电感Ls1，Ls2与栅极电感Lg1，Lg2共同组成了输入匹配网络，Cout1,Cout2,Lout1,Lout2构成输出网络，两者均谐振于工作频率。M11,M12为偏置管，它们与R6,R7,R8,R9,C5,C6构成偏置电路。该偏置电路对由电流增益及热漂移引起的电流变化都构成稳定的负反馈^[15]。经前置放大后的输入载波信号能被隔直峰值检测电路检测，检测出的反映载波信号平均峰值电平的V1经比较放大器与基准比较电平Vref相比较放大，产生可变输出阻抗控制电平Vc来调节可变输出阻抗Zout，达到增益自适应的目的。

图3 自适应增益单片CMOS集成LNA电路图

针对于DCS1800双频段手机^[16]用的自适应增益LNA电路设计，要求电路性能满足：噪声系数为1.5~2.5 dB，最大增益为15~20 dB，功耗电流小于8 mA，带宽为75 MHz(1 805~1 880 MHz)。采用TSMC-0.18 μm CMOS工艺的RF-CMOS器件模型，所设计电路的各器件参数如表1所示。

表1 电路图中各电子器件参数

表1中所列器件，对于MOS管选用TSMC 0.18 μm RF-CMOS PDK中的rfnmos2v,rfpmos2v做参数化单元版图，并设置单元版图具有保护环、虚拟哑多晶硅单元、N型深阱等特殊版图工艺，同时使其满足参数化版图的所谓“硬约束”选项，增加了版图面积，但避免了各种非理想因素的干扰。其中，尺寸最大的1 000 μm的MOS管版图面积为62.36 μm×50.31 μm。对于电容选用TSMC-0.18 μm RF-CMOS PDK中的专门为RF电容器件定制的mimcapshield做参数化单元版图，电路图中数值最大的29 pf电容的版图面积为245.15 μm×196.11 μm。对于电感选用标准片上电感indstd做参数化单元版图，11.5 nH的电感版图约为383.36 μm×376.54 μm。对于电阻选用精度最高的多晶硅电阻，5 MΩ的大电阻选用高电阻率的rphripolyrf做参数化单元版图时面积约为20.19 μm×8.22 μm。最终，此芯片电路可在2 mm×2 mm的版图面积内完成版图设计。

4 仿真结果分析

为了验证电路设计的性能参数，采用ADS电路仿真软件^[17]进行仿真。仿真时调用了TSMC 0.18 μm CMOS RF BSIM3 tt模型，所得的仿真结果如下：

(1) 输入阻抗匹配性能：在1.8 GHz工作频率下，如图4所示，反射系数S11＝－49 dB，说明输入阻抗回路的匹配性能良好。

图4 当Ls=280 pH,Lg=11.5 nH时

输入阻抗匹配的仿真结果

(2) 增益、反向隔离性能：在1.8 GHz工作频率时，如图5,图6所示，电路增益S21=17 dB，反向传输系数S12＝－45 dB，说明该电路有较好的隔离输入与输出的功能，满足DCS1800的设计要求。

图5 增益S21随频率的变化关系

图6 反向传输系数S12随频率的变化关系

(3) 电路稳定性能：图7,图8是LNA的稳定因子K、中间因子Δ随频率变化的关系。根据微波理论，当稳定因子K>1且中间因子Δ<1时LNA处于绝对稳定状态。

图7中，K始终大于1，Δ始终小于1，这说明LNA在所设计的频域内始终稳定。



图7 稳定因子K随频率的变化关系

(4) 噪声系数NF：在1.8 GHz工作频率时，如图9所示，噪声系数为0.2 dB，达到DCS1800所需的设计指标要求。

图8 中间因子Δ随频率的变化关系

图9 1.8 GHz时LNA的噪声系数NF＝0.2 dB

(5) 带宽范围：如图10所示，从1 805~1 880 MHz，约为75 MHz(图标m1,m3所指为-3 dB带宽频率点，图标m2所指为中心频率点)，符合设计指标要求，有较好的抑制带外信号的功能。

图10 LNA带宽

(6) 功耗电流：在工作电压1.8 V下，功耗电流为7.84 mA，满足设计指标要求。

(7) 增益控制变化范围：从0~17 dB，具有设计所要求的AGC控制功能。当输入信号强度为－30 dBm时，增益为17 dB(图标m1所示)，如图11所示。当输入信号强度大于－30 dBm时，增益控制模块开始自动增益控制，当输入信号强度达到－10 dBm，增益为0 dB(图标m1所示)，如图12所示。

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图11 输入信号强度为－30 dBm时的最大增益

图12 输入信号强度为－10 dBm时的最小增益

5 结语

本文设计了一款新颖的适用于DCS1800手机RF部分的增益自适应LNA电路，其特点是使用自身输出信号实现反馈控制，不需要外来信号，且几乎不影响LNA的噪声系数、输入匹配等关键指标。

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