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      新型低功耗LNA電路架構的優化和實現設計

      2020年07月31日 16:24 ? 次閱讀

      隨著無線通信技術的迅猛發展,無線終端小型化、低功耗、低成本、高性能已成為射頻集成電路RFIC)發展的必然趨勢。以往的MOS管高頻性能相對較差,傳統的射頻收發機主要采用GaAs、BiCMOS、Bipolar工藝實現,但價格昂貴,且不利于與CMOS 數字基帶部分單片集成。近年來隨著亞微米、深亞微米CMOS技術的日趨成熟、截止頻率fT不斷提高,CMOS工藝在性能上已經能滿足RF需要,且CMOS 工藝具有成本低、集成度高、功耗小等特點,因此CMOS RFIC已成為國際上的研發熱點。

      在接收機設計中,要得到良好的總體系統性能,關鍵在于性能優越的前端, 低噪聲放大器(LNA)是其中最關鍵的電路之一。LNA是接收電路的第一級,直接面對天線接收的包含各種噪聲的微弱信號,其特性對整個系統的噪聲性能產生直接影響。LNA需要具有良好的噪聲系數,并提供足夠的增益,以確保整個接收系統具有最小NF;同時當接收信號較大時,應有足夠的線性度以減小信號失真。現代移動通信設備的普及使LNA低功耗設計變得日益重要,文獻提出的PCSNIM技術是目前最佳的低功耗窄帶LNA優化設計技術,能在低功耗限制下,同時使噪聲性能、輸入匹配得到優化,但PCSNIM技術還有不足之處。本文綜合考慮增益、噪聲、功耗、線性度、匹配等指標對整個收發系統的影響,進一步改善LNA電路結構,以獲得最佳的系統性能。

      本文以文獻中的研究成果為出發點,對SNIM和PCSNIM進行改進,利用SMIC RF 0.13μm工藝,實現應用于IEEE802.11a WLAN的單片集成LNA。模擬數據顯示,該LNA功耗僅為3mW,增益14.3dB,噪聲系數約為2.2dB,IIP3大于-3.6dBm,S11約為-23dB。通過設計實例仿真和測試對比,驗證了理論分析的正確性。本文方法對低功耗LNA設計有一定指導意義。

      新型低功耗LNA電路架構的優化和實現設計

      1、低功耗LNA設計方法

      1.1 SNIM結構LNA分析

      圖1很容易實現輸入阻抗匹配,從信號源看到的網絡輸入阻抗Zin為:

      其中Lg、Ls為片上平面螺旋電感,M1是共源放大管,共柵管M2起隔離作用,減少M1柵漏電容的密勒效應。式(1)表明,當:

      沒有優化的SNIM電路中最佳噪聲阻抗都遠遠大于源阻抗,所以可以利用式(6)、式(7)中Zopt與Cgs成反比的特點,增加M1管的尺寸以增大Cgs、減小Zopt,最終實現電路的噪聲匹配。而增大M1的尺寸意味著要增加功耗(為了保證M1、M2都工作在飽和區且有一定的電壓裕度,M1管的柵源電壓可以變化的范圍很小)。所以利用SNIM技術設計的LNA都有相當大的功耗,這不能滿足對低功耗電路的要求。

      1.2 PCSNIM 結構LNA分析

      根據上面推導分析,可以在不改變M1管尺寸的條件下,在M1管柵源上并聯電容C1以間接增大柵源電容(如圖2),實現功率約束下的噪聲和輸入匹配。

      從信號源看到的網絡輸入阻抗為:

      由上述推導知:電容反饋的引入會使源極負反饋電感Ls增大,電感Ls增大導致系統增益下降及噪聲性能在一定程度上的惡化;電容反饋的引入還會使系統的等效跨導減小,導致系統增益減小20logk;使系統的截止頻率減小為原來的1/k,一定程度上惡化了系統的噪聲性能。

      綜上所述,雖然利用PCSNIM技術實現了功耗約束下的輸入匹配和噪聲優化,但付出的代價也很大,特別是在低功耗要求下系統增益減小和系統高頻特性的惡化[1]。

      2、IPCSNIM 結構LNA分析

      由上面的分析可以看出:矛盾的關鍵在于,并聯電容C1的引入雖然實現了功耗約束下的輸入匹配和噪聲優化,但也導致系統增益下降和高頻特性惡化。而Ls主要起輸入阻抗匹配作用,對系統的噪聲特性影響很小。所以可以改變并聯電容C1的位置以有效解決這個矛盾。

      改進方案如圖3所示。其中R1、M3為M1提供直流工作點,R2隔離R1和M3的噪聲對M1的影響,R2越大越好,一般為兆歐量級;電容C2作用與C1類似,起到降低最佳噪聲阻抗的作用如式(9)、式(10)。

      從信號源看到的網絡輸入阻抗為:

      其中C2(約100fF)與PCSNIM中的C1相等。

      源電感LS的主要作用是使輸入阻抗產生50?贅的實部,實現輸入阻抗匹配。理想電感理論上不影響系統的Re[Zopt],如式(6)、式(9);LS很小(0.7nH),對Im[Zopt]的影響可以忽略不計,如式(7)、式(10)。因此改進電路的最佳噪聲阻抗可以利用式(9)、式(10)計算。

      3、設計事例和模擬結果

      在實際芯片制造中,一般片上電阻的誤差很大,約20%,R1的波動直接影響系統的直流工作點,對系統的整體性能有很大影響;且R1約為1.5kΩ,使用片上電阻會占用較大的芯片面積。為了避免上述問題,可以用MOS電阻M4取代R1。這樣不僅節省了芯片面積,而且可以使電阻R1的精確度大大提高。

      圖2中的C2很小(只有100fF左右),實際片上電容越小,誤差越大,但是C2的波動對噪聲性能影響很大。為了避免C2波動對系統性能的影響,用M5 MOS電阻替代R2,利用M5源端到柵和襯底的寄生電容取代C2。這樣M5不僅可以像R2那樣起到噪聲隔離的目的,而且可以完全取代C2。這樣大大節省了芯片面積,簡化了系統的復雜性。綜合上述分析,圖4 給出了完整的低功耗LNA設計方案。

      以下仿真結果是在SMIC RF 0.13μm工藝、單片集成架構、5.5GHz工作頻率、1V工作電壓下完成的。模擬結果對比如圖5、圖6、圖7所示。

      本文在對傳統SNIM和PCSNIM結構分析的基礎上,針對SNIM功耗過大和PCSNIM增益較小的缺點,提出了一種新的低功耗LNA設計架構。該方案在功耗、噪聲和PCSNIM相當的條件下,充分彌補了PCSNIM增益過小的缺點,實現了與高功耗SNIM相當的增益。同時還實現了最優的輸入阻抗匹配特性和高頻特性。理論分析和ADS 仿真結果十分吻合,達到了預期設計目標。

      責任編輯:gt

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      發表于 2020-07-24 09:25? 82次閱讀
      晶體管對功率放大有哪些要求,如何克服交越失真

      大功率升壓放大器PB50的工作原理及典型應用

      PB50是美國APEX公司推出的高壓型場效應管大功率升壓放大器,具有工作電壓高(200V)、輸出電流....
      發表于 2020-07-24 09:19? 74次閱讀
      大功率升壓放大器PB50的工作原理及典型應用

      基于FPGA器件實現AGC算法和系統的設計

      大多數接收機必須處理動態范圍很大的信號,這需要進行增益調整,以防止過載或某級產生互調,調整解調器的工....
      發表于 2020-07-23 17:38? 224次閱讀
      基于FPGA器件實現AGC算法和系統的設計

      FD05型AGC中頻放大器模塊的電路工作原理和實...

      根據模塊的功能要求及環境要求,設計時首先初步確定了電路模式,并繪制出電路原理圖,然后進一步分析原理框....
      發表于 2020-07-23 11:29? 86次閱讀
      FD05型AGC中頻放大器模塊的電路工作原理和實...

      圖像信號處理器和視覺處理器市場的技術趨勢

      如今,圖像傳感器必須超越“拍攝圖像”,能夠實現“分析圖像”,這就是視覺處理器存在的原因。根據Yole....
      發表于 2020-07-23 11:14? 358次閱讀
      圖像信號處理器和視覺處理器市場的技術趨勢

      1.8V單電源的高性能采樣保持放大器

      AD9254-150EBZ,用于AD9254的評估板是單芯片,1.8V單電源,14位,150 MSPS模數轉...
      發表于 2020-07-22 11:46? 101次閱讀
      1.8V單電源的高性能采樣保持放大器

      ADS7807是采用最先進CMOS結構的低功耗16位采樣模數轉換器

        特征  35mW最大功耗;微薄50W斷電模式;微薄最大25s采集和轉換;最大1.5LSB入口;dnl:16位,無漏碼;帶1kH...
      發表于 2020-07-21 16:25? 203次閱讀
      ADS7807是采用最先進CMOS結構的低功耗16位采樣模數轉換器

      ADS774系列的微處理器兼容采樣cmos模數轉換器

        特征   取代ADC574、ADC674和ADC774;用于新設計;完整的采樣A/D;基準、時鐘和;微處理器接口;快...
      發表于 2020-07-21 16:22? 202次閱讀
      ADS774系列的微處理器兼容采樣cmos模數轉換器

      LOG101對數比放大器的數據手冊

        特征   易于使用的完整核心功能   高精度:50年內0.01%FSO   寬輸入動態范圍:7.5年,100pA至3.5mA...
      發表于 2020-07-21 15:38? 202次閱讀
      LOG101對數比放大器的數據手冊
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