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基于双交叉耦合电容反馈的超低功耗高线性LNA

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第3期 2018年6月 中I鼋鼋暑舛譬呵宪限学机 Journal of CAEIT V01.13 No.3 Jun.2018 doi:10.3969/j.issn.1673—5692.2018.03.016 基于双交叉耦合电容反馈的超低功耗高线性LNA 李相敏,康壮 (长江大学文理学院,湖北荆州434020) 摘要:提出了一种基于双交叉耦合电容反馈技术的CMOS共栅低噪声放大器(LNA)。第一个反 馈环路利用交叉耦合技术以提高电路跨导;另一个反馈环路在晶体管的源漏两级之间采用交叉耦 合共栅技术实现电压电流反馈。提出的LNA在低功耗的前提下取得了优越的性能,基于0.18 m CMOS工艺,对该LNA流片实现并测试。测试结果表明LNA芯片在2.4 GHz频率下的增益为 18 dB,噪声系数为2.02 dB,输入三阶截止点IIP3为8.3 dBm,输入匹配参数S11和输出匹配参数 ¥22均低于一10 dB,在1.1 V电压供电下功耗为2.5 mW。 关键词:输入三阶截止点;高线性;低噪声放大器;负反馈 中图分类号:TN432 文献标识码:A 文章编号:1673—5692(2018)03.326-06 An Ultra-low·-power High·-linearity LNA with Dual Cross-coupled Capacitive Feedback LI Xiang—min,KANG Zhuang (Yangtze University College of Arts and Sciences,Jingzhou 434020,China) Abstract:A CMOS common gate low noise ampliifer(LNA)with dual—cross—coupled—capacitive feedback is proposed.The first feedback loop is designed for transcoductance boosting which is widely known as the cross—coupled common gate(CCCG)topology.The other feedback loop is voltage—current feedback by cross—coupling between the drain node and the source node in the common gate topology.The proposed LNA achieves excellent performance with low power consumption.The LNA is implemented with a 0.1 8 m CMOS process and measured.The measured results demonstrate a gain of 1 8 dB,a noise figure (NF)of2.02 dB,an input third—order intercept point(IIP3)of 8.3 dBm,an input matching(S11)/ output matching(¥22)of less than 10 dB at 2.4 GHz,and a power consumption of2.5 mW with 1.1 V supply voltage. Key words:Input Third—Order Intercept Point;High Linearity;Low Noise Ampliier;Negatifve Feedback 起谐波反馈分量,恶化电路的线性度。在低频领域, 0 引 言 反馈的基本作用是利用反馈路径上的线性有源 谐波反馈分量通常被高环路增益所抑制,然而,在射 频领域,由于开环增益已经很低,较难取得高环路增 益。例如,在共源电路结构中,采用源极退化电感实 现的电压电流反馈技术,并不能提高输入三阶截止 点IIP3性能,这是因为源极退化电感在放大晶体管 的源端产生二次谐波分量,通过晶体管栅源间电容 器件,来纠正电路正向路径上的非线性有源器件产 生的非线性。反馈是模拟和射频电路中的一种提高 线性度的有效方法,然而,在射频领域,反馈可能引 收稿日期:2018-02-01 修订日期:2018-04-09 基金项目:湖北省教育厅科研处“基于物联网的家庭医疗保健系统的研究和设计”项目(鄂科教函【2016】l3号) 2018年第3期 李相敏等:基于双交叉耦合电容反馈的超低功耗高线性LNA 327 反馈回输入端口,与原始信号相混合转换成三阶交 调分量IMD3,退化了电路的IIP3 E1-5],在许多射频 反馈电路中都存在此类现象 一 。 在本文中,首先在线性度改善方面讨论了射频 反馈技术,并且提出在全差分共栅放大器中采用双 电容反馈技术。第一个反馈环路用于增强电路的跨 导g ,所采用的技术即是交叉耦合共栅(CCCG)结 构,同时可实现高增益和低噪声。另一个反馈环路 在晶体管的源漏两级之间采用CCCG技术实现电压 电流反馈,尤其,第一个反馈环路在增强基波信号的 同时,可以减弱二次谐波信号的放大,因而减小了影 响IIP3性能的二次谐波信号,这就可以利用第二个 反馈环路来实现IIP3的提高。 1 电路设计及理论分析 1.1反馈和IIP3 反馈系统的三阶互调失真截止点AIP3 。为 : 崛。= = I b3f 式中,b 为闭环线性增益,b 为闭环三阶非线性系 数,a 、a 和a 分别为开环线性增益、开环二阶非线 性系数和开环三阶非线性系数, 为反馈环路增益。 由上式可见,AIP3 ,不仅与开环放大器的三阶非线 性有关,还取决于开环放大器的二阶非线性。 在低频电路中,获得较高的环路增益并不困难, 因此可以抑制二阶交调失真的影响,然而,在射频领 域,较难取得高环路增益,结果导致即使采用了反馈 技术,也较难取得较高的IIP3 ,因此,本文需要仔 细研究二阶交调对IIP3的影响。 1.2交叉耦合共栅结构 图1给出了一种传统的交叉耦合共栅(CCCG) 拓扑结构,CCCG结构将漏极热噪声降低一半,并且 通过提高跨导的方式使电路增益增加一倍 “ , CCCG结构的另一个特性是通过交叉耦合的结构降 低二阶交调量。 图2为CCCG结构中基波信号和二次谐波信号 正向反馈机制的示意图,图中,基波信号的输出电 流为: l0ad 图1传统交叉耦合共栅放大器电路图 (a)基’扳佰号 Co)二次谐波信号 图2交叉耦合共栅电路的正向反馈原理 ifu d=g ( i +A1 i ) (2) 二次谐波信号的输出电流为: i2 d=g vi 一A1 i ) (3) 为了对CCCG结构中的非线性进行量化分析, 我们采用图3所示的等效半边电路,推导出与 CCCG结构相关的如下参数表达式,例如闭环增益 b1cccG,开环增益的一阶系数alcccG、三阶系数a3cccG, 环路增益TcccG以及反馈系数F 。。 2(Ce)gm(Zs …一 , ∞一…(\  +C C )s,,…  … ZReloa d· Zk&Rsd (4a) ccc 2( ) ) (4b) ccc ( ) ( ) (4c) c-2( ) zBI )(4d) 328 FCCCG: 中I曩鼋;舛学研宪阪哥极 (4 )‘4 ) 2018年第3期 其中,Rs为输入源阻抗;2C /(C +c )为跨导增强 s 系数,如果Cc远大于C 跨导增强系数近似为2。 图3交叉耦合共栅电路的等效半边电路 由式(1)和式(4)可得,CCCG拓扑结构的三阶 互调失真截止点AIP3 。如下所示: cccc l cccc¨,  I,/8 2gm(z l R )+1]  l(5) 由式(4d)和式(5)可见,如果增加跨导g ,可 以增大环路增益 。,进而提高AIP3 。。然而, 环路增益不仅只与g 有关,还取决于输入阻抗的函 数值zs,因而通过改变环路增益的方式提高线性度 效果有限。 1.3双交叉耦合共栅结构 本文为了克服上述缺陷,提出了在CCCG结构 中加人另一个反馈环路来改善线性度,即双交叉耦 合共栅(DCCG)结构,如图4所示。图5给出了双 反馈环路的框图,其中A为开环放大器;I厂为反馈系 数;.si为输入信号;s。为输出信号;Js。为Si与(As。+厂2 s )之间的差值。 三10ad Rl0ad Vo.t. t十 :‘= 图4提出的双交叉耦合共栅放大器的电路图 由图5可得输出信号s。可表示为: S。=0lS +a2S +n3S:+… (6a) 图5双反馈系统原理框图 其中: S =Si-f,s。一 5。 (6b) 该双反馈系统具有如下的输入输出关系表 达式: S。=bldu ̄lS 十b2d ̄.1S +b3dualS +… (7a) 其中: 6ld 南 b2dual (7c) 63 —— 丁 d = 等鲁 一 J) 式中,b 。、b: 和b3dua1分别为闭环线性增益、二阶 非线性系数以及三阶非线性系数, 为相应环路的 反馈环路增益。 由式(1)、式(7b)和式(7d)可得,双反馈系统 的三阶互调失真截止点AIP3 如下所示: 4 =闫I^√j u b3a  1 Il= (8) 由式(1)和式(8)可见,双反馈系统的环路增益 为两个反馈系统环路增益之和,因而,DCCG结构可 以通过增加总体环路增益的方式提高线性度,远优 于CCCG结构。 图6给出了DCCG结构的等效半边电路,以用 于计算反馈电路相关参数,DCCG结构的反馈电路 相关参数如下所示: b1DccG= 2g ( ) … II - )( + ) (9a) 2018年第3期 李相敏等:基于双交叉耦合电容反馈的超低功耗高线性LNA 329 。… c :2 z 1尺 ” 1)等 (9b) 的测试结果,在2.4 GHz频率下,IIP3高达 8.3 dBm,实现了较高的线性度,并且该芯片在 1.1 V电压供电下功耗仅为2.5 mW。综合性能指 标优于以往文献所报道的测试结果 ‘ ,文献[9] 和[12]所设 ‘电路取得的IIP3分别为一7.5 dBm (9c) ∽= (2 )( l_ )等 nt 和一0.5 dBm,与本文的8.3 dBm的高线性度相比 相差甚远,LNA位于系统接收机的最前级,需要一 ( ‰t; { )‘( ) (9d) 个较高的线性度接收来自天线的射频信号,本文所 设计的8.3 dBm的高线性度完全满足此需要,另外 + cr)(9e) 文献[9]和[12]所报道电路的噪声系数分别为6 dB 和2.7 dB,也略逊于本文所取得的2.02({B的低噪声 式中,b…c“:为DCCG结构闭环增益;t"t cc《:和n 刚; 系数,位于系统接收机最前端的LNA直接决定了整个 接收机的噪声性能,因此LlNA的噪声系数越小越好 . 分别为开环增益的一阶系数、三阶系数;Tc 为环 路增益;F似 ;为反馈系数;C 为晶体管漏源问反馈 电容。如果输入源阻抗R 远小于l/jtoC ,由式(9) 可推得DCCG拓扑结构的三阶互调失真截止点 AIP3。 可简化为: AlP3I)ccG √8 I [2gIl ( )+1】 (10) 图7 LNA的芯片照片 由式(5)和式(10)可见,由于DCCG结构将环 路增益增高到(1+2fioCfZ d)/(1+ C Z )倍, 因而将AIP3提高到[(1+2jtoCrZIl1d.IJ)/(1+ja,c. Z )] 倍,进一步改善了电路线性度。 ∞ 图6提出的DCCG放大器的等效半边电路 图8 S .、S。.和S::的测试结果 2芯片实现与测试结果 基于SMIC 0.18 I,zm CMOS工艺,对本文所提出 3 结 语 本文提出的LNA在CCCG结构中采用基于电 容反馈的双反馈环路,以在不影响其他性能的前提 的LNA进行流片实现并测试验证。图7所示即为 该LNA的芯片照片,电路核心大小为1.03 mm , 图8给出了增益s 输入匹配参数s,。和输出匹配参 数5 的测试结果,在2.4 GHz工作频率下的增益为 18 dB,输人输出匹配参数均低于一l0 dB。图9给 出了噪声系数NF的测试结果,在2.4 GHz频率下, 下,改善电路的线性度。CCCG结构不仅增强了基 波频率的跨导,改善了增益和噪声性能,而且通过反 馈方式抑制了二次谐波信号,改善了线性度,在此基 础上引入DCCG结构,在晶体管源漏间引入电容反 NF为2.02 dB。图l0所示为输入三阶截止点IIP3 330 国鼋善舛譬研雹豫学租 2018年第3期 兽 复 频频/GHz 图9噪声系数NF的测试结果 频率/GHz 图10输入三阶截止点Illr3的测试结果 馈,进一步提高电路的线性度。 基于SMIC 0.18 jxm CMOS工艺,对本文所提出 的LNA进行流片实现并测试验证。测试频率为 2.4 GHz,测试结果表明该LNA在较低功耗下实现 了较优的性能,在仅消耗2.5 mw功耗的前提下,取 得了18 dB的增益,2.02 dB的噪声系数,8.3 dBm 的输入三阶截止点IIP3,同时输入输出匹配良好,综 合性能指标达到国内外先进行列。 参考文献: [1] YE R F,HORNG T S,WU J M.Two CMOS dua1.feed. back common—gate low—noise ampliifers with wideband in— put and noise matching[J].IEEE Transactions on Mi— crowave Theory and Techniques,2013,61(10): 3690—3699. [2]PARVIZI M,ALLIDINA K,EI—GAMAL M N.Shoa channel output conductance enhancement through forward body biasing to realize a 0.5 V 250 W 0.6—4.2 GHz current.reuse CMOS LNA『J].IEEE Joumal of Solid— State Circuits,2016,51(3):574-586. [3] IM D,NAM I.A wideband digital TV receiver front—end with noise and distortion cancellation[J].IEEE Transac— tions on Circuits and Systems--I:Regular papers,2014, 61(2):562-574. 目∞p/[4] STEWART D,SAAVEDRA C E.ExtndIH ending the band· width of low.-noise microwave ampliifer through digital as-- sist[J].Electronics Letters,2014,50(7):528-530. [5]IJI J,HASAN S M R.Design and performance analysis of a 866-·MHz low--power optimized CMOS LNA for UHF RFID[J].IEEE Transactions on Industiral Electronics, 2013,60(5):1840—1849. [6]CHEN Z,ZHENG Y,CHOONG F C,et a1.A low—power variable—gain amplifier with improved linearity:analysis and design[J].IEEE Transactions on Circuits and Sys— tems—I:Regular papers,2012,59(10):2176—2185. [7]KIM N,APARIN V,LARSON L E.Analysis of IM3 a— symmetyr in MOSFET small·signal ampliifers[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems--I:Regular pa— pers,2011,58(4):668-676. [8] SANSEN W.Distortion in elementary transistor circuits [J].IEEE Transactions on Circuits and Systems-II: Analog and Digitla Signal Processing,1999,46(3): 315—325. [9]PARVIZI M,ALLIDINA K,EI GAMAL M N.A sub— mW,uhra—low—voltage,wideband low—noise ampliifer de— sign technique[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration(VLSI)Systems,2015,23(6): 1111.1122. [10]YOON J,PARK C.A CMOS LNA using a harmonic re— jection technique to enhance its linearity[J].IEEE Mi— crowave and Wireless Components Letters,2014,24 (9):605-607. [11]WOO S,KIM W,LEE C H,et 1a.A wideband low—pow— er CMOS LNA with positive-negative feedback for noise, gain,and linearity optimization[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2012,60(10): 3169—3178. [12]李相敏,康壮.新型高性能超宽带低噪声放大器设计 [J].中国电子科学研究院学报,2017,12(1):106— 110. 作者简介 l 验设师计李E,; —主相ma要敏il:研(l1i9m究8in1方~_.jin)向z,h男为ou,射@湖s频北ina人集.c,成o高nr级电; 路实 康壮(1987一),男,湖北人,主要研究方向为集成电 路设计与测试。 

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