一种高线性的CMOS低噪声放大器结构

2007年12月　　　　　　　　　　　　　JournalofHunanInstituteofEngineering　　　　　　　　Dec.

2007

一种高线性的CMOS低噪声放大器结构

邓桂萍,王春华

(1.湘潭大学信息工程学院,湖南湘潭411105;

1

2

2.湖南大学计算机与通信学院,湖南长沙410082)

　　摘　要:采用TSMC0.35μmCMOS工艺,设计了一个5.7GHz可用于无线局域网的低噪声放大器,电路在采用单端共源共栅结构的基础上为改善线性度而引进低频陷波网络(Low-frequency-trapNet2

work),用ADS软件仿真与优化.仿真结果表明,在电源电压1.5V情况下,噪声系数NF为1.22dB,输入反射系数S11为-15dB,反向隔离性能S12为-32.9dB,增益S21为17.8dB,三阶交截点IIP3为+12.7dBm,功耗为8mW.

关键词:低噪声放大器;无线局域网;线性度中图分类号:TM76　　文献标识码:A　　文章编号:1671-119X(2007)04-0005-04

阈区器件的三阶跨导与强反型器件的三阶跨导相抵

0　引言

随着无线通信事业的不断发展,人们对无线通信系统的要求越来越高,比如低电压低功耗、低噪声、大动态范围、高灵敏度和高线性度等,而处于接收机前端的低噪声放大器(lownoiseamplifier,简称LNA)对于提高整个系统的线性度起着关键作用.这就意味着我们在设计低噪声放大器中必须在增益、噪声、线性度及功耗等性能指标中要合理的折衷.

近年来出现了大量关于提高线性度的文献

[1-11]

消来提高LNA的线性度,但是亚阈区MOSFET的截

止频率fT很低,当信号频率较高时,补偿效果有可能下降,不适合频率比较高的情况.文献[5]改进文献[4]中的方法,在主支路和补偿支路使用了不同的负反馈电感,文献[6]把文献[4]中的亚阈区MOSFET换成BJT,但是,因为标准CMOS工艺中很难获得高性能的BJT,所以这样的改进有较大的局限性.文献[7]采用线性区MOSFET补偿,这种方法与亚阈区MOSFET补偿类似,只是用不同的方法去实现三阶跨导的“峰”.文献[8-9]根据Volterra级数分析对双极型晶体管BJT放大器利用不同的带内和带外阻抗特性来提高电路的线性度.前面所提到的文献中只有文献[11]是针对5GHzCMOSLNA的线性度而做的研究,提出采用前馈失真补偿方法(FeedforwardDistortionCancellation),文献中的这种方法虽然对噪声影响不大,但是结构比较复杂,功耗增加许多.其它的文献基本上都是针对5GHz以下的电路而提出的线性化技术.

本文将根据对单端CMOS共源共栅结构进行Volterra级数分析的结果,提出一个采用低频陷波网络来提高线性度的工作于5.7GHzCMOS低噪声放大器,结构简单,用ADS软件进行仿真优化验证.

,文献[1]采用中等反型区偏置的方法,利用

MOSFET的转移特性及高阶跨导特性,将其偏置在强反型与亚阈区之间的一个最佳栅源偏置电压,此处MOSFET的三阶跨导为零,理论上电路的三阶非线性为零.但是,这个最佳偏置点对工作频率、负载阻抗、源极电感大小、工艺参数特别是阈值电压涨落等的变化非常敏感.因而实际中一般都是采用线性化技术来提高线性度.文献[2]采用直接补偿法,这种方法为了降低三阶交调,需要付出较大的功耗,而且增益和噪声性能还有所损失.文献[3]采用前馈补偿方法,这种方法实现的前馈补偿电路,电路的增益性能不会损失,但是也仍然需要付出较大的功耗代价.文献[4]采用亚阈区MOSFET补偿法,利用亚

收稿日期:2007-06-27

基金项目:国家自然科学基金资助项目(60676021)

作者简介:邓桂萍(1981-),女,硕士研究生,研究方向:射频集成电路设计.

6

　　　湖南工程学院学报　　　　　　　　　　　　　　　　2007年

s2)νs,那么我们可以把输入参考IM3表示为:

1　共源共栅结构的Volterra级数分析

首先对共源级进行Volterra级数分析[10].用来推导CMOS低噪声放大器共源级交调表达式的电路模型如图1,vs是源电压,Zg是栅极阻抗,包括栅极电感及寄生电阻,Zs是源极阻抗,Cgs1是栅源电容,

vgs1是栅源电压,id1是漏极电流,在这里我们忽略场效应管的输出电阻和栅漏电容.

共源级的输入参考IM3可以通过令s1=ωj1,s2

=ωj2,s3=ωj3得到,假定s≈s1≈s2并且△s=(s1-≈1

2

IM3=

3A3(s1,s1,-s2)

4A1(2s1-s2)

3

vs

2

K

A1(s)5gm

2A1(2s)Zs(2s)+A1(△s)

vs

2

1+sCgs(Zg+Zs)

μnCoxW

式中,k=.

2L

(1)

un是电子迁移率,Cox是栅氧化层电容,W是管

子宽度,L是管子长度,gm是跨导,A1(s),A2(s),A3

(s)是Volterra级数的系数

[10]

.

图1　共源级模型　　　　　　　　　　　　　　　图2　级联共栅级的模型

　　再来看级联共栅级的Volterra级数分析[10].

为了把级联场效应管的影响加入三阶交调表达式中,我们使用由图2示出的级联共栅级电路模型.

其中id1是共源级的输出电流.gm2和Cgs2分别为M2

K1g

4m12

的跨导和栅源电容,假定场效应管M2的输出电阻很大以致可以忽略.采用与推导共源级非线性方程相似的方法,我们可以得到:

gm2As(S)[A1(2s)Zs(2s)+A1(△s)Zs(△s)]

K1K221

-2A1(s)[1-A1(△s)Zs(△s)]

+sCgs23gm1

2

IM2

total

=

3

4

[1-A1(s)Zs]

gm2

gm2gm2

1+sCgs21-sCgs2

gm2gm2

2K1K221-A1(s)[1-A1(2s)Zs(2s)]2

+△sCgs23gm11

+△sCgs2

gm2

vs

2

--

K1K2

2m1

(2)

gm2gm23g

　　然而这个表达式太复杂,我们无法直接从(2)性决定,在这里我们暂不考虑第二级的非线性.从

2

m1

3g2K1K2

2

A1(s)[1-A1(△s)Zs(△s)]

1+sCgs2

gm2

1

+△sCgs2

A1(s)[1-A1(2s)Zs(2s)]

2

1-sCgs21+△sCgs2

式得出结论而提供对设计的指导,必须借助其他的数学工具,这里就不再详述.

(1)式我们可以看出,三阶交调项与1+sCgs(Zs+Zg)的模相关,对于感性负反馈,sCgsZs项为一个负

实数而部分抵消了“1”这一项,但是对于阻性和容

2　提出的提高线性度方法

由于整个放大器的非线性主要由第一级的非线

性负反馈就没有这样的抵消作用,因为阻性负反馈中该项为纯虚数,而容性负反馈中该项为正实数.

另外,三阶交调项还与2A1(2s)Zs(2s)+A1(

第4期　　　　　　　　　　　　邓桂萍等:一种高线性的CMOS低噪声放大器结构7

△s)Zs(△s)的模相关,这一项由二阶互扰而产生.二阶互扰项表明,三阶交调的大小不光与工作频率相关,也与干扰频率的差和相关.

因此,我们要想提高整个放大器的线性度,要么尽可能的减小二阶互扰项2A1(2s)Zs(2s)+A1(s)

Zs(s)的模,要么尽可能的减小1+sCgs(Zs+Zg)的

模.如果我们能使1+sCgs(Zs+Zg)的模趋于0,那么我们就能获得最佳线性度.在前面我们知道,如果是感性负反馈,sCgsZs项为一个负实数而可以部分抵消“1”这一项,但这是毕竟有限的.我们还注意到,sCgsZg中也有一部分为负实数而可以部分抵消1”,实际上sCgsZg中产生负实数的是Zg中的感性部分,猜想如果我们能使这一部分增大,那么能抵消1”的部分又增大了,因而1+sCgs(Zs+Zg)的模减小而达到提高线性度的目的,但是Zg中的感性部分

Lg过大的话不利于我们整个放大器的片上集成,而

且在源极电感负反馈结构中为满足输入匹配Lg还受谐振频率和阻抗匹配50Ω的.于是在这里我们引入低频陷波网络

[8]

,如图3所示.

图3　低噪声放大器结构

3　提出的CMOSLNA电路结构

提出的CMOSLNA电路结构如图3所示,其中

M1、M2为共源共栅结构,M1为输入器件,产生与输

入电压成正比的小信号漏电流;共栅晶体管M2用于减小输入与输出之间的相互作用提供良好的隔离性能并抑制了M1的Miller效应;输入匹配仍采用源极电感负反馈结构并由Lg和Ls实现,这种结构在

提供很低的噪声系数的同时容易得到50Ω的输入阻抗;L2和C2构成调谐电路实现输出匹配;直流工作时晶体管M3与M1形成电流镜,M3的宽度相对很小,这里取为M1宽度的十分之一,从而偏置电路消耗的电流最小;电阻R2要取足够的阻值以减小偏

置电路的噪声电流;电阻R1用来调节输入级晶体管

M1的栅源电压和漏极电流以决定静态功耗;C1用

于将射频与直流隔离,选择适当的电容(如10nF),使其电抗值对于信号频率可忽略不计;Lt和Ct构成了低频陷波网络,为提高电路的线性度.

表1　CMOS低噪声放大器详细模拟结果

参数模拟结果

参数

模拟结果

电源电压1.5VS11-15dB频率5.7GHzS12-32.9dB噪声系数1.22dBS2117.8dB功耗

8mW

IIP3

+12.7dBm

4　仿真结果

根据图3所示电路原理结构,采用TSMC0135

μmCMOS工艺,使用ADS软件对该LNA进行模拟与分析优化.表1给出了本文提出的LNA详细模拟结果,图4(a)～(d)给出了噪声系数NF,输入反射系数S11,反向传输系数S12及增益S21随频率变化的趋势的仿真结果,图5.14(e)给出了线性度IIP3仿真结果.

““8

　　　湖南工程学院学报　　　　　　　　　　　　　　　　2007年

[2]　DingY,HaryaniR.A+18dBmIIP3LNAin0.35um

CMOS[C].In:ProceedingsofIEEEISSCC,2001:161-162.

[3]　AparinV,BrownG,LarsonLE.LINEARIZATIONOF

CMOSLNA’SVIAOPTIMUMGATEBIAS-CircuitsandSystems,2004,4:748-751.

[4]　KimTW,KimB,LeeK.HighlyLinearReceiverFront

-endAdoptingMOSFETTransconductanceLineariza-tionbyMultipleGatedTransistors[J].IEEEJ.Solid-StateCircuits,2004,39(1):223-229.

[5]　AparinV,LarsonLE.ModifiedDerivativeSuperposition

MethodforLinearizationFETLow-NoiseAmplifiers[J].IEEET.MicrowaveTheoryandTechnique,2005,53(2):571-581.

[6]　XinC,SanchezSE.ALinearizationTechniqueForRF

LowNoiseAmplifier[C].ISCAS,2004.

[7]　TanakaS,BehbahaniF,AbidiAA.ALinearization

TechniqueForCMOSRFPowerAmplifiers[C].93-94.

[8]　KengLF.High2frequencyAnalysisofLinearityImprove2

mentTechniqueofCommon2emitterTransconductancestageUsingaLow2Frequency2TrapNetwork[J].IEEEJ.SOLID2STATECIRCUITS,2000,35(8):1249-1252.

[9]　KengLF,RobertG.High2frequencyNonlinearityAnaly2

sisofCommon2emitterandDifferential2pairTransconDuctanceStages[J].[10]

IEEEJ.

SOLID-STATECIR2

CUITS,1998,33(4):8-555.

ZhangWC,ChenKS.NonlinearityanalysisofCMOSLNAbasedonVolterraseries[C].The3rdCrossStraitTri2RegionalRadioScienceandWirelessTechnologyConference,2002.

[11]LinM,WangH,LiY,ChenH.ANovelIP3Boosting

TechniqueUsingFeedforwardDistortionCancellationMethodfor5GHzCMOSLNA[J].AnalogIntegratedCircuitsandSignalProcessing,2006.

In:

ProceedingsofIEEESymposiumonVLSICircuits,1997:

In:

ProceedingsofIEEE

NG[C].I

In:Proceedingsofthe2004InternationalSymposiumon

图4　仿真结果

5　结　论

本文在根据对单端CMOS共源共栅结构进行Vol2

terra级数分析的结果的基础上,提出了一个采用低频陷波网络来提高线性度的工作于517GHzCMOS低噪声放大器,结构简单.采用TSMC0135μmCMOS工艺使用ADS软件进行仿真,仿真结果表明,该低噪声放大器结构具有良好的性能:在电源电压1.5V情况下,噪声系数NF为1122dB,输入反射系数S11为-15dB,反向隔离性能S12为-3219dB,增益S21为1718dB,三阶交截点IIP3为+1217dBm,功耗为8mW.

参　考　文　献

[1]　TooleB,PlettC,CloutierM.RFCircuitImplicationsofMod2

erateInversionEnhancedLinearRegioninMOSFETs[J].IEEETRANS.CIRCUITSANDSYSTEMS—I:REGULARPAPERS,2004,51(2):319-328.

AHighlyLinearCMOSLowNoiseAmplifier

DENGGui-ping,

1

WANGChun-hua

2

(1.CollageofInformationEngineering,XiangtanUniversity,Xiangtan411105,China;2.SchoolofComputerandCommunication,HunanUniversity,Changsha410082,China)

Abstract:A5.7GHzCMOSlownoiseamplifier(LNA)implementedwithTSMC0.35umstandardCMOStech2nologyispresented.TheproposedLNAintroducesthelow2frequency2trapnewtorkintothesingle2endcommon2sourcecommon2gatecascadetopology.SimulatedandanalyzedbytheADSsoftware,thefollowingparametersareachieved:underthesupplyvoltageof1.5V,thenoisefigureis1.22dB,theinputreflectionis215dB,thereversetransmittedcoefficientis232.9dB,thegainis17.8dB,theIIP3is+12.7dBmandthepoweris8mW.Keywords:lownoiseamplifier;wirelesslocalnetwork;linearity