<listing id="62mou"><object id="62mou"></object></listing>
    <output id="62mou"><pre id="62mou"><dd id="62mou"></dd></pre></output>
  1. 新聞中心

    EEPW首頁 > 網絡與存儲 > 設計應用 > 一種用于計算機無線電接收機中的超寬帶LNA設計

    一種用于計算機無線電接收機中的超寬帶LNA設計

    作者:曾淥麟 陳汶濱時間:2018-09-27來源:電子產品世界收藏
    編者按:本文提出了一種無電感單端轉差分寬帶低噪聲放大器LNA,該電路包含有三個反相器結構的增益級,并且嵌有本地反饋電阻以實現寬帶輸入阻抗匹配的目的。而且,在第三級電路中,在電流偏置晶體管旁邊并聯一個電容,以改善電路增益以及差分信號的相位。基于TSMC 0.13 μm CMOS工藝進行設計,該寬帶LNA在0 GHz~1.4 GHZ的頻段內,取得了17.4 dB的最大增益,-5.3 dBm的最小輸入三階交調截止點IIP3,1.2 dB的最小噪聲系數。該電路在1.3 V電壓供電下,僅消耗了10.8 mW的功耗。

    作者 / 曾淥麟 陳汶濱 西南石油大學計算機科學學院(四川 成都 610500)

    本文引用地址:http://www.09140960.com/article/201809/392396.htm

      曾淥麟,男,漢族,1993年09月生,四川宜賓人,碩士生,研究方向:計算機無線收發前端硬件電路設計

    摘要:本文提出了一種單端轉差分LNA,該電路包含有三個反相器結構的增益級,并且嵌有本地反饋電阻以實現寬帶輸入阻抗匹配的目的。而且,在第三級電路中,在電流偏置晶體管旁邊并聯一個電容,以改善電路增益以及差分信號的相位。基于TSMC 0.13 μm CMOS工藝進行設計,該寬帶LNA在0 GHz~1.4 GHZ的頻段內,取得了17.4 dB的最大增益,-5.3 dBm的最小輸入三階交調截止點IIP3,1.2 dB的最小噪聲系數。該電路在1.3 V電壓供電下,僅消耗了10.8 mW的功耗。

    0 引言

      隨著計算機以及960 MHz超寬帶接收機系統的快速發展,并且為了降低芯片面積以及電路的復雜度,超LNA得到了迅猛發展。傳統的寬帶LNA電路,例如并聯反饋結構和共柵晶體管結構,并不能同時實現寬帶輸入匹配網絡以及噪聲系數的最優化[3-4]。基于共模噪聲抑制以及優良的奇次諧波非線性特性的優點,差分結構得到了越來越廣泛的關注,然而,LNA的前級模塊天線確實單端結構,為了發揮差分電路結構的優越性,可以采用巴倫電路,但是巴倫的芯片面積過大,為了取代巴倫,出現了一種單端轉差分(S2D)寬帶LNA結構[5],圖1所示即為傳統的S2D LNA結構,電路由共源晶體管級和共柵晶體管級相級聯構成,共柵晶體管級為電路提供寬帶輸入匹配網絡。雖然共柵晶體管級引起的熱噪聲被差分輸出結構所抑制[6],但是由電流源或偏置電阻組成的偏置電路IB會引起較大的噪聲,假如采用有源器件代替,則可能會由于工藝波動問題導致偏置點的漂移。為了克服以上問題,本文提出了一款新穎的S2D寬帶LNA電路,該電路可以同時實現高增益、低噪聲以及寬帶輸入匹配網絡等優良性能,并且在沒有引入電感的前提下,提供差分信號的輸出。

    1 提出的LNA電路

      傳統的并聯反饋放大器電路如圖2所示,該電路可以同時實現自偏置和輸入阻抗匹配的目的。輸入阻抗Rin可表示為:

      其中,γ為MOS晶體管體效應系數,雖然,相比較無反饋結構的LNA而言,噪聲系數有所改善,但是并不能同時實現輸入阻抗匹配、增益以及噪聲系數的最優化。

      為了實現LNA性能的最優化,本文提出了一種新穎的S2D LNA電路結構,如圖3所示,該電路包含有三個反相器結構的放大器電路,在后兩級電路中,引入了本地反饋電阻RF1和RF2,目的是為了實現電路的自偏置,穩定直流偏置點。第一級電路引入了反饋網絡,該反饋網絡由RB1、RB2、RB和差分放大器組成,反饋網絡的引入防止了由工藝波動所導致的輸出偏置點的漂移。電容CIS用于隔離晶體管MP1和MN1的柵極偏置,優化電路偏置點[7]

      為了達到電路的高增益目標,圖3所示電路的前兩級需要提供足夠的開環增益,第一級電路晶體管采用較大的尺寸,以提供較高的電路增益,并抑制后級電路的噪聲反饋,第二級電路晶體管采用相對較小的尺寸,抑制由前級電路所導致的帶寬減少問題,第三級電路起到緩沖級的作用,用以隔離下級模塊對其的影響。

      電容CS3并聯晶體管MS3,組成RC退化網絡,以改善電路增益以及差分信號的相位,退化網絡的電阻ZS=roS3+1/sCS3,通過對晶體管MS3和電容CS3參數的合理選擇,退化網絡可為電路提供額外的增益和合適的相位延遲,并且差分結構的輸出極大地改善了奇次諧波的非線性特性。每一級的電壓增益A1、A2、A3和總體電壓增益AV可表示為:

      因為LNA的輸入阻抗可由第二級電壓增益A2進行調節,而噪聲系數NF獨立于A2,因而本文所提出的電路可通過第二級電路的調節,同時實現輸入阻抗匹配和噪聲系數的最優化。

    2 仿真結果與分析

      基于TSMC 0.13 μm CMOS工藝,采用Cadence軟件,對本文提出的LNA進行電路設計并進行版圖繪畫,圖4即為本文所提出的LNA電路版圖,后仿真結果表明,電路在1.3 V電壓供電下,消耗了10.8 mW的功耗。圖5所示給出了仿真得到的S11和S22的結果,可見在整個頻段內,輸入反射系數S11均低于-17.5 dB,輸出反射系數S22均低于-10 dB,取得了較好的輸入輸出匹配結果。

      圖6所示為S21和S12的仿真結果,由圖可見增益S21取得了最大值為17.4 dB的數值,并且在整個頻段內增益都大于12.5 dB,取得了較高的增益,隔離度S12在整個仿真頻段內,均低于-25 dB,可以有效地隔離后級電路對于LNA性能的影響。

      圖7所示為噪聲系數NF的仿真結果,取得了最低值僅為1.2 dB的優良結果,在整個頻段內的噪聲系數也沒有達到3 dB。

      圖8給出了輸入三階交調截止點IIP3隨著頻段變化的仿真結果,在整個頻段內,IIP3優于-6 dBm,并且取得了-0.78 dBm的最優值,IIP3可以通過優化電路的偏置,進一步得到改善,為了更好地驗證該LNA的寬帶特性,分別采用10 MHz、25 MHz和50 MHz頻率間隔的雙音測試法對IIP3進行仿真,IIP3的值隨著頻率間隔的改變并沒有發生明顯的變化。

      表1所示給出了本文設計的LNA與以往文獻設計的寬帶LNA的對比數據[8-9],相比較于文獻[8]而言,本文的功耗僅消耗了不到其三分之一,雖然增益略低了2.1 dB,但是噪聲系數和IIP3遠優于其結果,而對比于文獻[9],雖然本文電路功耗略大,但是噪聲系數和IIP3較優,整體來看,本文設計的LNA取得了更優的頻率范圍和更低的噪聲系數、IIP3和功耗。

    3 結論

      本文提出了一款應用于計算機無線電接收機中的寬帶S2D LNA電路,該電路包含有三個反相器結構的增益級,并且嵌有本地反饋電阻以實現寬帶輸入阻抗匹配的目的。在后兩級電路中,引入了本地反饋電阻,以實現電路的自偏置,穩定直流偏置點。而且,在第三級電路中,在電流偏置晶體管旁邊并聯一個電容,以改善電路增益以及差分信號的相位,基于TSMC 0.13 μm CMOS工藝對該LNA進行仿真設計,仿真得到所提出的LNA取得了17.4 dB的最大增益,輸入反射系數S11在很寬的頻段內均低于-17.5 dB,噪聲系數達到了1.2 dB的最小值,并且電路在1.3 V電壓供電下,僅消耗了10.8 mW的功耗。

      參考文獻:

      [1]Guo B Q, Chen J, Li L, et al. A Wideband Noise-Canceling CMOS LNA With Enhanced Linearity by Using Complementary nMOS and pMOS Configurations [J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2017, 52(5): 1331–1344.

      [2]Nikandish G, Yousefi A, Kalantari M. A Broadband Multistage LNA With Bandwidth and Linearity Enhancement [J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2016, 26(10): 834–836.

      [3]Wang S B T, Niknejad A M, Brodersen R W Desgin of a sub-mW 960 MHz UWB CMOS LNA [J]. IEEE J. Solid-State Circuits, 2006, 41(11): 2449–2456.

      [4]Huang G, Kim S K, Kim B S. A wideband LNA with active balun for DVB-T application [J]. IEEE J. Solid-State Circuits, 2016, 51(2): 421–424.

      [5]Blaakmeer S C, Klumperink A M, Leenaerts M W, et al. Wideband balun-LNA with simultaneous output balancing, noise-canceling and distortion-canceling [J]. IEEE J. Solid-State Circuits, 2008, 43(6): 1341–1350.

      [6]Bruccoleri F, Klumperink E A M, Nauta B. Wide-band CMOS low-noise amplifier exploiting thermal noise canceling [J]. IEEE J. SolidState Circuits, 2004, 39(2): pp. 275–282.

      [7]Karanicolas A N. A 2.7-V 900 MHz CMOS LNA and mixer [J]. IEEE J. Solid-State Circuits, 1996, 31(12): 1939–1944.

      [8]Im D, Nam I, Lee K. A CMOS active feedback balun-LNA with high IIP2 for wideband digital TV receivers [J]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2010, 58(12): 3566–3579.

      [9]Manstretta D. A broadband low-noise single-ended input differential output amplifier with IM2 cancelling [C]. IEEE RFIC, 2008: 79–82.

      本文來源于《電子產品世界》2018年第10期第61頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。



    推薦閱讀

    評論

    技術專區

    關閉
    贵州11选5app下载
      <listing id="62mou"><object id="62mou"></object></listing>
      <output id="62mou"><pre id="62mou"><dd id="62mou"></dd></pre></output>
      1. <listing id="62mou"><object id="62mou"></object></listing>
        <output id="62mou"><pre id="62mou"><dd id="62mou"></dd></pre></output>