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一种低功耗增益可调双频段低噪声放大器的设计

来源：小侦探旅游网

14DOI：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2018.12.004

2018年6月15日第41卷第12期

现代电子技术

ModernElectronicsTechniqueJun.2018Vol.41No.12一种低功耗增益可调双频段低噪声放大器的设计

吴秀山，李丽欣，韩建强

（中国计量大学机电工程学院，浙江杭州

摘

310018）

要：基于TSMC0.18μmCMOS工艺，实现一种低功耗增益可调的双频段低噪声放大器（LNA），该LNA采用全差分

的无电感电阻并联负反馈结构以展宽频带，利用单端到双端的匹配网络与电容反馈补偿实现所需频段的输入阻抗和噪声匹配。仿真结果表明，LNA在380~480MHz范围时，S21从12.2dB均匀增加为23.2dB，S11优于-11dB，S12均小于-34dB，最优的2.3dB。电路在1.8V供电下功耗仅为0.74~2.4mW，综合性能指标优越。

中图分类号：TN722.3⁃34

文献标识码：A

NF为3.3~2.1dB；在700~1200MHz范围内S21为7.8~18.1dB；S11也均小于-10dB，S12均优于-28dB，最优的NF为4.4~

关键词：低噪声放大器；增益控制；电容反馈补偿；噪声系数；噪声优化；输入匹配

文章编号：1004⁃373X（2018）12⁃0014⁃05

Designofagainadjustabledual⁃bandlownoiseamplifierwithlow⁃powerconsumption

（SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，ChinaJiliangUniversity，Hangzhou310018，China）

WUXiushan，LILixin，HANJianqiang

Abstract：Againadjustabledual⁃bandlownoiseamplifier（LNA）withlow⁃powerconsumptionisdesignedonthebasisof0.18μmCMOSprocessofTSMC.IntheLNA，thefully⁃differentialinductionlessresistanceparallelnegativefeedbackstructuretivefeedbackcompensationareusedtorealizetheinputimpedanceandnoisematchingoftherequiredfrequencybands.Theisadoptedtobroadenthefrequencyband.Thematchingnetworkfromthesingleterminaltothedoubleterminalandthecapaci⁃simulationresultsshowthatwhenthefrequencybandofLNAis380~480MHz，S21isincreasedaveragelyfrom12.2dBto23.2

dB，S11isbetterthan⁃11dB，allofS12arelowerthan-34dB，andtheoptimalnoisefigure（NF）is3.3~2.1dB；whenthefre⁃

quencybandofLNAis700~1200MHz，S21is7.8~18.1dB，allofS11arelowerthan⁃10dB，allofS12arebetterthan-28dB，thecomprehensiveperformanceindicatorofLNAissuperior.putmatching

andtheoptimalNFis4.4~2.3dB；thepowerconsumptionofthecircuitisonly0.74~2.4mWwhilethepowersupplyis1.8V；

Keywords：low⁃noiseamplifier；gaincontrol；capacitivefeedbackcompensation；noisecoefficient；noiseoptimization；in⁃

由于无线通信技术的快速发展，无线通信产品支持多种通信标准成为迫切需求，设计具有较大系统动态范围、射频前端增益可配置及兼容多频段的射频前端成为了当前研究热点之一[1]。从文献[2⁃3]中看，有很多种实现双频段的方法，无论采用窄带还是宽带，在设计中都大量采用了片内集成电感，占用大量的芯片面积并极大地增加了制造成本，而且在片的集成电感品质因数较差，了放大器的噪声性能的提高。本次设计了一种低功耗增益可调的380~480MHz/700~1200MHz双频段LNA，电路利用3位增益控制信号来选通尾电流源产

收稿日期：2017⁃08⁃24

修回日期：2017⁃10⁃20

生不同的增益控制电压以改变电路的放大增益。仿真结果表明，电路实现了5档增益可调，并且非常平坦，实现了不同频段不同增益下的输入阻抗匹配及噪声匹配，整体性能优越，电路在1.8V供电下功耗仅为0.74~2.4mW，完全可以满足ISM频段及GSM900频段的需求[4]。

1系统结构及工作原理

本文设计的LNA整体结构如图1所示，包括单端到

双端的阻抗匹配网络、主增益级电路、增益控制电路、反

基金项目：浙江省自然科学基金资助项目（LY14F040004）；国家自然科学基金（61376114）

ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofZhejiangProvince（LY14F040004），NationalNaturalScienceFoundationofChina（61376114）

吴秀山，等：一种低功耗增益可调双频段低噪声放大器的设计15

馈电容单元及输出缓冲电路。输入阻抗匹配网络接收来自于天线射频输入信号，由于电路主增益级采用全差分的电路结构，所以设计了单端转双端的匹配电路如图2所示[5]。

电路如图4所示，N1，N2，R1与R（N4，R5与R6）构成互2N3，4路可控镜像电流源，当EN为高电平时，开关管MP1导

补源极跟随器。增益控制级电路如图5所示，主要为通，偏置电流I流过MP1和MN1，电流镜根据外部输入的3位增益控制信号来实现可编程，第一位LVL<0>来选通第一个电流镜，当选通时电流为I；以此类推，当EN为

高电平并且3路控制信号从000步进为111时，流过MP2电流从I0变换为（I0+7I），步进为I，MP2管沟道的宽长比确定后，将产生可编程栅漏电压即增益控制电压Vref。

图1低噪声放大器的结构框图Fig.1BlockdiagramforstructureofLNA图4输出缓冲电路Fig.4Outputbuffercircuit图2输入阻抗匹配网络Fig.2Matchingnetworkofinputimpedance主增益级电路主要放大来自于输入阻抗匹配电路的差分信号INN和INP，电路结构如图3所示。

图5增益控制级电路的结构图Fig.5Structureofgaincontrollevelcircuit2

图3主增益级电路Fig.3Maingainlevelcircuit输入阻抗及噪声分析

图3中的单端小信号等效电路如图6所示。在图6

馈电阻；N1与N2为LNA的主放大管，是电路噪声系数主要贡献来源；P1与P2管为共栅结构，主要是提供较大的反向隔离度和抑制主放大管的密勒效应

[6⁃7]

图中：CH1~CH4为片内隔直电容；Rfn和Rfp为并联反

和R2分别为P1管和P2管提供偏置电压，若Vref改变，P1与

；Vref通过R1

中N1，P1管的栅寄生电阻和源漏端的寄生电阻都进行了

-2

忽略，Cgs为N1，P1管的等效栅源电容和。ind为沟道热噪

-2

声电流的均方值，ing为感应的栅电流噪声，以上噪声都

-2

是N1，P1管的噪声和；iR为反馈电阻的热噪声。图6

中的匹配网络对于单端输入的电路可以等效为一个电感Lg与电阻Rg的串联，电阻Rg为电感的寄生电阻。ZL为后级输出缓冲级的等效输入阻抗，一般为电阻与电容的并联等效阻抗，输出缓冲级N1的栅源电容很小，在工作频率点上输出缓冲级N1的栅源电容的容抗很大，所以

P2管跨导将改变。通过隔直电容及反馈电阻进一步改变N1与N2的栅源电压，从而改变N1与N2管的跨导，最终改变输入匹配以产生不同的放大增益。差分的输出级

RF+ZL1Zin=Rg+sLg+//

sCgs1+(gm1+gm2)ZL

≈Rg+sLg+

现代电子技术

2018年第41卷ZL可等效为一个电阻RL，主要是直流电阻R1，从图6中

Cgs的值较大，低增益时，Cgs的值较小。在增益发生变化时，为了满足在所需要频段上的阻抗与噪声匹配，利用

Cgs的值会随着栅源电压的变化而变化，高增益时，

式中，设(gm1+gm2)=gm，其中

RF+RL1//

sCgs1+(gm1+gm2)RL

（1）

放大电路的米勒效应采用一种电容反馈方法以补偿在不同增益控制电压下的输入匹配。

设计的反馈电容单元由3条电容开关支路并联组成，交叉接于主增益级电路输入端与输出端之间，电路结构如图7所示。第一条电容开关支路中的MIM电容值为C，第二条为2C，第三条为4C。为了保证每条开关支路的Q值相等，M0，M1及M2管的宽长比[10]设计为1∶2∶4。

情况下，可以等效为一个电阻，从而可以在较宽的频带内实现阻抗和噪声匹配[8]。从式（1）可以得出，为了实现

RF+RL1//在忽略Cgs

sCgs1+gmRL

输入匹配，图6中最后的两个无源元件为两个串联电感L4与L5。根据式（1），将Zin整理得到：

RF+RL1Zin=Rg++sLg+2(1+gmRL)(1+Q)sCgs(1+1Q2)式中，Q=

RF+RL，在所需要的频率上阻抗匹配就

Cgs(1+gmRL)RF+RL。

(1+gmRL)(1+Q2)（2）

是要满足Rs=Rg+数为：

根据匹配的条件和假设RF≫RL，图6中的噪声系NF=1+RgRs+2|c|γδ5γ1++gmRLα(1+Q2)gmRsαδωo+·(1+Q2)gmRs

ωT5[9]

()ωoωT

()2

（3）

图7反馈电容单元的结构图Fig.7Structureoffeedbackcapacitanceunit式中：ωo为工作频率；ωT为单位增益频率。对于长沟道器件，α=1，γ=23，δ=13，c=-j0.395。

3仿真结果及分析

对于设计的增益可调的双频段低噪声放大器，采用

TSMC0.18μmRFCMOS工艺，使用ADS2008进行仿真，电源电压为1.8V，反馈电容单元的最小电容C为在输出端直接利用了一个理想的

图6小信号等效电路Fig.6Small⁃signalequivalentcircuit7fF，增益控制级电流源的偏置为7.2μA，电路仿真时

2∶1的巴伦将双端

转变成单端。设计的输入匹配网络及电路器件的关键参数如表1所示。

表1输入匹配网络及电路器件的参数

Table1Parametersofinputmatchingnetworksandcircuitdevices

匹配网络

频段/MHz380~480

L0/nH46L1/nH2012L（）/nH2L3

1818L（）/nH4L5

15570C0/pF7.62C（）/pF1C2

3.20.8P（）W/L1P248/0.1848/0.18主增益级

N（）W/L1N248/0.1848/0.18Rfn（Rfp）/kΩ44R（）/kΩ1R2

1010700~1200当输入的增益控制信号LVL<0：2>为000，001，010，100及111时，仿真的S11，S21及NF的结果如图8和图9所示。从图8中可以得到，在380~480MHz频带内单端到双端的匹配电路参数设计合理。当增益控制信

号LVL<0：2>从111变化到000时，噪声系数NF逐步恶化，主要原因为电路功耗下降较快，在1.8V电压下电路功耗从2.4mW下降为0.74mW，并且偏离设计的频段后，不再满足噪声优化条件，噪声恶化很快；S21从12.2dB

吴秀山，等：一种低功耗增益可调双频段低噪声放大器的设计17

几乎线性增加为23.2dB，S11优于-10dB，并且都具一定的平坦度。

图9700~1200MHz内的NF，S21及S11仿真结果Fig.9SimulationresultsofNF，S21andS11whenfrequencybandis700~1200MHz图8380~480MHz内的NF，S21及S11仿真结果Fig.8SimulationresultsofNF，S21andS11whenfrequencybandis380~480MHz从图9中可以得到优化设计的单端到双端的匹配电路参数合理，LVL<0：2>从111变化到000时，最优噪声系数NF为4.4~2.3dB；S21从7.8dB几乎线性增加为具一定的平坦度。

18.1dB，S11优于-10dB，并且在设计的频率范围内也都

图10所示为当LVL<0：2>为111、两个频段分别在433MHz和915MHz频率点上的P1dB和IIP3的仿真结果。由图10a）可得，在433MHz时，IIP3＝-5dBm，P1P1dB=-7dBm，线性度性能优良。

-2dBm；由图10b）可得，在915MHz时，IIP3＝5dBm，

表2给出了本文的LNA与已发表的LNA性能比较。

图10P1dB与IIP3仿真结果Fig.10SimulationresultsofP1dBandIIP3dB=

可以看出，本文设计的LNA在噪声、增益、功耗和阻抗匹配等各个性能指标之间进行了折中，具有更好的综合性能。

表2LNA性能比较

Table2PerformancecomparisonofLNA

性能指标工艺/μm频率/Hz功耗/mWNF/dBS11/dBS12/dBS21/dB片内电感增益调节

文献[1]方法文献[2]方法

0.1.5

0.1814.4<-93.5

文献[3]方法

0.1835.6

文献[4]方法

0.188.7

文献[5]方法

0.1812.8>3

2018年第41卷本文方法0.18

0.1~1.45>2.5

0.47~0.860.048~0.82.5@400M/2.3@800M

0.93~0.95/1.8~1.832.05~1.45/2.55~1.36

<-18.5—

12.7~20.6/11.2~19.3

有有

DC1.40.38~0.48/0.7~1.23.3~2.1/4.4~2.3

<-10<-290.74~2.4

<-10—16.9有无

-22~10-22~10有有

-18@400M/⁃9.5@800M

—

20@400M/18.5@800M

有无

<-15—16.4无无

12.2~23.2/7.8~18.1

无有

4结语

器[J].湖南大学学报（自然科学版），2017，44（4）：118⁃123.CHENDiping，JIANGGuangcheng，MAJun.Newdual⁃bandty（Naturalsciences），2017，44（4）：118⁃123.

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基于TSMC0.18μmCMOS工艺设计了一种低功耗增益可调的380~480MHz/700~1200MHz双频段LNA，给出了电路的整体结构框图。基于电路的小信号等效模型对输入阻抗和噪声进行了分析和推导，通过理论分析和仿真验证，电路具有5档增益线性可调，实现了不同频段不同增益下的输入阻抗匹配及噪声匹配，整体性能优越，电路在1.8V供电下功耗仅为0.74~2.4mW，并且整个电路无电感可以极大地减小电路的版图面积，可以满足ISM频段及GSM900频段的需求。

参

考

文

献

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作者简介：吴秀山（1974—），男，山东莱芜人，博士，副教授，硕士生导师。主要研究方向为射频集成电路设计。

李丽欣（1995—），女，四川乐山人，硕士研究生。主要研究方向为模拟集成电路设计。

韩建强（1970—），男，陕西西安人，博士，教授，硕士生导师。主要研究方向为微细加工技术与微型传感器。

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