一种用于UHF RFID阅读器的无电感巴伦LNA设计

宁方潇，张 健，陈晓哲，杨 浩，张海英

（中国科学院 微电子研究所，北京 100029）

射频识别技术（RFID）可能是自动识别的最佳选择，RFID技术具有无线，非接触，高数据速率，多标签同时识别以及长的读写范围等优势，能够广泛的应用在供应链管理，过程控制，自动登记，物流管理，不停车收费等方面[1]。在国家大力推进物联网技术发展的大背景下，RFID阅读器和标签的研究成为热点。集成在一个芯片的射频收发机和数字基带处理部分可以大大减小阅读器的尺寸，降低成本，并且降低系统功耗延长使用寿命。

一个RFID系统的读写范围依赖于工作频段，阅读器的发射功率，标签的灵度，标签的调制效率，数据速率以及阅读器接收机的灵敏度。高灵敏度的集成射频接收机要求低噪声放大器有足够的增益，低于3 dB的噪声因子（NF），足够大的线性度以及输入阻抗匹配NIN=ZS。 经典的共源共栅低噪声放大器结构中应用电感进行输入输出阻抗匹配，在900 MHz的频率下，匹配电感的电感值往往很大，占用大量的芯片面积。文中设计了一种无电感的单端输入差分输出的低噪声放大器，基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺，节省大量的芯片面积，并具有较低的噪声，高的线性度。

1 LNA的设计考虑

无源UHF RFID系统是半双工的系统[2]，由于tag是无源的，需要阅读器提供能量才能工作，采用的是后散射（backscatter）的工作模式，这就要求在阅读器接收tag响应的时候发射机一直工作，也就是存在一个很强的CW（连续波）信号[3]，这个CW信号恰恰与我们要接收的信号工作在一个频段上。对于UHF RFID阅读器接收机，与其他无线接收系统最大的不同就在于要应付发射机大的泄露对tag反射信号的干扰。发射机的本振泄露在5 dBm左右，这个大的干扰信号会造成接收机的饱和，恶化灵敏度。这就要求低噪声放大器有很大的动态工作范围和很高的输入1-dB压缩点。

本设计基于ISO 18000-6协议，工作频率为860～960 MHz，低噪声放大器采用单端输入的结构可以避免使用任何外接的巴伦，但是I/Q两路下变频混频器要求低噪声放大器是差分输出。图1是射频前端的结构框图。文中的工作是LNA的设计实现。

在LBT的模式下，可调衰减器是旁通的来实现-90 dBm的接收机灵敏度，在talk模式下，引入可调衰减器的目的是提高系统的输入1-dB压缩点，假如衰减器能够衰减干扰信号12 dB，那么5 dBm的泄露信号会被减弱到-7 dBm，此时只要低噪声放大器的输入1-dB压缩点高于-7 dBm，那么接收机就不会由于CW信号泄露进入饱和工作状态，从而能正常工作。不过衰减器也同时衰减了RF输入信号，导致接收机灵敏度下降到-78 dBm左右 （假设tag的灵敏度是-15 dBm的话，这已经足够了）。

低噪声放大器的噪声性能决定了系统的灵敏度，噪声因子小于3 dB满足系统指标。

2 噪声抵消技术

噪声消除技术最早应用在宽带LNA中，对于输入级MOSFET，噪声主要来自沟道热噪声，可以用连接在漏源两端的电流源模拟[4]，图2所示为噪声消除技术的原理。

图2 噪声消除的原理Fig.2 Noise canceling principle

沟道电流热噪声 In，i的一部分 α·In，i会流过输出节点 Y和输入节点X，并在节点X、Y上产生瞬态的噪声电压，其中α依赖于 MOS管的输入阻抗ZIN=1/gmi和RS的关系，0<α<1。这两个瞬态噪声电压是同向的

下角标X，Y分别代表X、Y节点的电压。

另一方面，对于信号电压其在节点X和Y上是反向的，这是因为放大管的增益AV，i<0。正是由于输入输出节点噪声电压同向而信号电压反向，才使得消除掉输入MOS管噪声成为可能。如图2所示，完成噪声消除的方法是创造一个新的输出点，将Y节点的输出电压与经过反向放大的X节点电压在此相加，反向的噪声电压会相互抵消，同时同向的信号电压相加得到加强。

两路相加后的输出噪声电压：

其中AV是放大器的增益。希望输出噪声相抵消，也就是希望VOUT，n，i=0，可得噪声相抵时反向放大器的增益大小为

抵消噪声后的总的增益为

一种利用了噪声消除的低噪放的实际结构如图3所示[5]，输入共栅级（CG）与共源放大级（CS）并联完成了噪声抵消和单端转差分的功能。

图3 基本共栅共源巴伦低噪声放大器Fig.3 Basic common-gate-common-source topology of Balun--LNA

作为输入级的CG管要实现输入阻抗匹配，

信号电流等于流过电阻RCG的电流，

从上式可推得共栅级的输入阻抗的表达式为

联列式（6）和式（8），那么得到共栅级的增益的表达式

要实现巴伦输出平衡的功能，CG级的输出增益应该与CS级的增益大小相等方向相反，即要求共源级增益

因为输出是两项的差分，相等的两噪声项相互抵消，达到了噪声抵消的目的。

实际上，噪声消除技术还能抵消非线性引起的失真，非线性的输入电压vin可以用Taylor级数展开：

CG级的输出电压为：

从而输出差分电压信号为：

可见所有的非线性项都被抵消了。综上分析，也就说在满足输出平衡的要求下，能够同时消除晶体管的噪声和CG输入管引起的非线性失真，提高了噪声性能和线性度。

3 LNA的设计

经过上面的理论分析，设计的关键就是满足（10）式，即要满足下式

低的噪声系数需要大的，也就是说需要大的电流，于是在功耗和噪声之间存在一个折中。因为在CMOS工艺中电阻的值的容差很大，所以采用比例电阻的方法来设计。电路的原理图如图4所示，偏置电路和片外匹配没有给出，图中的电感需要外接。

图4 巴伦低噪声放大器的原理图Fig.4 Schematic of Balun-LNA

经仿真分析知RCG=nRCS时噪声性能最优，整数n大于1。考虑功耗与噪声的折中，本设计中取n=3。所有的管子都取工艺允许的最小长度180 nm以保证管子的特征频率最大。为了提高隔离度，在图4的基础上，首次提出增加Cascode管M3-M4，它们的栅极接电源电压。采用Cascode结构可以增大电路的输出阻抗，使得负载阻抗完全有负载网络决定，Cascode管还能提高稳定性并使得放大管漏端电压降低，减弱载流子速度饱和对放大管的影响。

输入匹配要求M1的输入阻抗为50 Ω，也就是要求gm1=20 mS，电路采用交流耦合的输入方式，输入匹配网络在片外实现。这种结构不存在片上电感，所以电路占用的芯片面积只有 0.02 mm2。

4 版图和仿真结果

低噪声放大器的版图如图5所示，在版图设计中尽量保证器件的对称性，采用多个同样尺寸的管子实现一个大尺寸管子。LNA作为接收机的第一级与输入引脚直接相连，尽量用高层金属以减小寄生。使用dummy电阻以减小电阻的失配。

LNA的输入1-dB压缩点、噪声因子、输入阻抗匹配、增益的后仿真曲线如图6所示。在860～960 MHz的频带内，输入反射系数S11<-15 dB，小信号增益不小于19.2 dB，输入1-dB压缩点为-5.2 dBm，噪声因子低于2.6 dB。

LNA的总电流为8 mA，IIP3为5.9 dBm。仿真结果表明LNA实现了低噪声、高线性度、宽带的输入匹配以及足够的增益。

图5 低噪声放大器的版图Fig.5 Layout of the LNA

表1 UHF RFID阅读器射频前端LNA性能比较Tab.1 UHF RFID Reader RF Front-end LNA performance comparison （T=27℃）

5 结 论

设计了一款基于TSMC 0.18μm工艺的超高频RFID阅读器射频前端无电感巴伦低噪声放大器，单端输入差分输出的结构避免了外接巴伦的引入的额外损耗，通过后仿真验证了本结构的性能，由于利用了噪声抵消技术所以获得了很低的噪声因子和很高的线性度，从而提高了射频接收机的灵敏度，也就能提高阅读器的可识别距离。

[1]Klaus F，Giesecke G.RFID handbook， third edition[M].MUNICH， WILEY，2010：362-366.

[2]Pradeep B K，Chen X S，Yan D L et al.A universal UHF RFID reader IC in 0.18-μm CMOS technology[J].IEEE J solid-state circuits，2008，43（5）：1146-1155.

[3]Ickjin K，Eo Y S，Choi K，et al.A single chip CMOS transceiver for UHF mobile RFID reader[J].IEEE J solidstate circuits，2008，43（3）：729-738.

[4]Federico B，Eric A M K，Bram N.Wide band CMOS lownoise amplifier exploiting thermal noise canceling[J].IEEE J solid-state circuits，2004，39（2）：275-282.

图6 LNA的后仿真曲线Fig.6 Post simulated curve of LNA

[5]Stephan C B，Eric A M K，Domine M W，et al.Wide-band balun-LNA with simultaneous outputbalancing， noise canceling and distortion-canceling[J].IEEE J solid-state circuits，2008，43（6）：1341-1350.

[6]Lou S Z，Howard C L.A linearization technique for RF receiver front-end using second order intermodulation injection[J].IEEE Jsolid-state circuits，2008，43（11）：2404-2412.