一款增益可调且平坦的超宽带低噪声放大器*

2017-04-25陈吉添张万荣金冬月谢红云杜成孝刘亚泽赵馨仪

电子器件 2017年2期

关键词：基极超宽带电路图

陈吉添,张万荣,金冬月,谢红云,杜成孝,黄鑫,刘亚泽,刘硕,赵馨仪

(北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京 100124)

一款增益可调且平坦的超宽带低噪声放大器*

陈吉添,张万荣*,金冬月,谢红云,杜成孝,黄鑫,刘亚泽,刘硕,赵馨仪

(北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京 100124)

设计了一款增益可调且平坦的超宽带低噪声放大器(FTG UWB-LNA)。输入级采用具有新型偏置电路和RLC反馈的共基-共射放大器;输出级采用电流镜偏置的共集放大器;放大级采用新型有源电感与达林顿结构构成的组合电路。实现了增益的可调且平坦以及宽带输入输出匹配。基于WIN 0.2 μm GaAs HBT工艺库,对FTG UWB-LNA进行验证,结果表明:在1 GHz～6 GHz频带内,增益S21可以在21.16 dB～23.9 dB之间调谐,最佳增益平坦度达到±0.65 dB;S11小于-10 dB;S22小于-12 dB;FN小于4.08 dB;在4 V的工作电压下,静态功耗小于33 mW。

低噪声放大器;增益可调且平坦;有源电感;超宽带

超宽带低噪声放大器UWB-LNA(Ultra-Wideband Low Noise Amplifier)作为RF前端接收机的关键模块,对整个接收机系统的灵敏度和动态范围有着重要的影响[1-5]。为了提高接收机系统的性能,需要UWB-LNA具有较高且平坦的增益,可调节的增益以及在宽带内良好的输入输出匹配,低的噪声等性能[6-9]。文献[10]报道了一款UWB-LNA,它采用并联电阻反馈cascode放大模块和有源电感,使增益在频率1 GHz～5 GHz内的平坦度(增益平坦度是指在给定带宽范围内的增益“剧烈增加”和“快速下降”的数值,数值越小增益越平坦)达到了±0.25 dB,但是所采用有源电感的结构比较简单,没能实现对增益的调节。文献[11]设计的UWB-LNA,利用电流镜控制和电流复用技术的放大模块,实现了宽带增益调节输出,在频率为2 GHz时,增益从7到13 dB进行调节,但该技术方案不能针对平坦度进行优化,在0.47 GHz～3 GHz内平坦度为±1.15 dB。另一方面,在宽带内的增益大小也与平坦度相互制约。文献[12]报道的UWB-LNA,利用2个cascode放大器级联实现的带宽增益达到20 dB以上,但以牺牲增益的平坦度为代价,平坦度仅为±5 dB,且输出匹配较差。文献[13]研究的UWB-LNA,采用跨导增强技术和有源电感作输入匹配,实现了良好的输入匹配,且在3.1 GHz～10.6 GHz内增益平坦度为±0.7 dB,但最大增益不到13 dB。为了实现增益的可调、宽带内增益平坦以及增益的提升,本文提出了采用新型有源电感的增益可调且平坦的超宽带低噪声放大器(FTG UWB-LNA)。

FTG UWB-LNA采用输入级、放大级和输出级3级电路设计,工作在1 GHz～6 GHz,涵盖了IEEE802.11a/b/g/n/ac无线标准的工作频带。论文安排如下:首先从原理上对FTG UWB-LNA电路设计进行分析,包括输入级的设计,放大级的设计和输出级的设计。接着基于WIN 0.2 μm GaAs HBT工艺,对有源电感以及基于有源电感的FTG UWB-LNA进行性能验证,并与近几年的UWB-LNA文献进行对比,最后得出结论。

图1 FTG UWB-LNA的电路原理图

1 FTG UWB-LNA电路的设计

图1为FTG UWB-LNA的电路原理图。它主要包括输入级、放大级以及输出级3个部分。输入级是由晶体管Q1和Q2、电感L1、电阻RT和R1、电容C1以及电流镜偏置bias1、新型偏置bias2组成,实现宽带输入匹配;放大级,一方面采用由晶体管Q3和Q4构成的达林顿结构来提高增益,另一方面,采用由电阻R2和有源电感AI(LAI)组成的负载电路,来实现增益的调节和增益的平坦化;输出级由电流镜偏置bias3、晶体管Q5和电阻R4构成,实现宽带输出匹配。

1.1 FTG UWB-LNA输入级的设计

图2(a)和图2(b)分别为FTG UWB-LNA的输入级电路图及其等效小信号电路图。输入级中电感L1,电阻RT以及电容C1构成RLC串并联反馈网络,由晶体管Q1和Q2组成的共基-共射放大器和负载R1相连,bias1连接晶体管Q1的基极,新型偏置bias2连接晶体管Q2的基极。Cbe1、Cbe2分别为晶体管Q1、Q2的基极与发射极之间的结电容,Rbe1、Rbe2分别为晶体管Q1、Q2的基极与发射极之间的等效电阻,gm1、gm2分别为晶体管Q1、Q2的跨导。

图2 FTG UWB-LNA的输入级电路图及其等效小信号电路图

根据图2(b)的小信号电路图,输入阻抗可表示为:

(1)

为了实现良好的宽带输入阻抗匹配,需要满足下列条件:

(2)

Rbe1≈50Ω

(3)

此外,由于晶体管Q2结电容Cbe2的存在,随着频率的不断提高,电阻分压使晶体管Q2的基极电压不稳定进而导致放大器性能下降,因此,除了满足式(2)～式(3)所示的输入阻抗匹配条件外,还需要为晶体管Q2提供稳定的基极偏置。为了实现输入阻抗的匹配以及基极偏置电压的稳定,输入级采用了电流镜偏置bias1和新型偏置bias2。

图3为输入级电流镜偏置bias1原理图。在R5远大于R6和R7下,通过对图3的电路分析,可以得到Rbe1的表达式:

(4)

通过合理设计R5,R6以及R7,可以便利地实现Rbe1=50Ω,满足输入阻抗匹配条件。

留给ofo的时间已经不多。11月14日，久未露面的戴威在已经很久没有举行的ofo公司大会上表示：除了破产，其他都有可能。

图3 输入级电流镜偏置bias1原理图

图4为输入级新型偏置bias2原理图。图4中R8,R9,R10为晶体管Q12和Q13提供开启电压。晶体管Q12的发射极与晶体管Q13的集电极相连,使Vbias2钳位在晶体管Q12基极电压和Q13基极电压之差,使晶体管Q2的基极电压稳定,减小晶体管Q2的结电容Cbe2带来的影响。从图4可以得到Vbias2:

(5)

图4 输入级新型偏置bias2原理图

1.2 FTG UWB-LNA放大级的设计

图5为FTGUWB-LNA的放大级电路图。晶体管Q3和晶体管Q4构成了达林顿结构,电阻R2和有源电感AI作为负载。信号经过晶体管Q3和Q4两级放大能够获得比单管更高的增益。此外,由于引入了有源电感,放大级的负载可以表示为R2+jωLAI。一方面,通过调节LAI,补偿放大器增益在高频时的衰减,使增益平坦,另一方面,通过调谐LAI的电感值,可以实现在工作带宽内放大器增益的调节。下面我们对新型有源电感(LAI)的调谐机理进行详细分析。

图5 FTG UWB-LNA的放大级电路图

图6为FTGUWB-LNA的基于回转器结构和负反馈回路的新型有源电感。

图6 基于回转器结构和负反馈回路的新型有源电感

图6中,晶体管Q6与Q7连接构成负跨导器,Q10作为正跨导器,Rf为反馈电阻,正负跨导器与反馈电阻连接构成了带有电阻反馈的回转器结构有源电感。电容Ct由1个反偏肖特基二极管构成。晶体管Q6,Q8和Q9构成1个负反馈回路。电容C3为隔直电容,I2、I3为可调电流源,V1、Vb为偏置电压。

图7为新型有源电感小信号电路图。图7中电容Cbe6～Cbe8和Cbe10分别为晶体管Q6～Q8和Q10的基极与发射极之间的结电容,Cbe10作为回转电容。图7中Rbe6～Rbe10分别为晶体管Q6～Q10的基极与发射极之间的等效电阻。图7中Ro7为晶体管Q7的集电极与发射极之间的等效电阻。gm6～gm10分别为晶体管Q6～Q10的跨导。

根据图7小信号电路图,可以得到有源电感输入导纳Yin的表达式为:

(6)

图7 新型有源电感的等效小信号电路图

根据小信号电路图推导出的导纳公式(6),可以将小信号电路简化为如图8所示的RLC串并联网络。

图8 新型有源电感的等效的RLC串并联网络

图8中:

CP=Cbe6

(7)

(8)

(9)

(10)

ωZ=RS/LS

(11)

(12)

由式(8)、式(10)看出,晶体管Q6,Q8和Q9构成的负反馈回路增大了GP,进而可提高极点频率ωp,晶体管Q6,Q7构成的共基-共射结构减小了Rs,进而可降低零点频率ωZ,因此ωp的增大和ωZ的降低,可实现有源电感工作带宽的扩展。由式(9)可以看到,电容Ct和电阻Rf的引入,增大了电感值LS。此外,调节I2可改变跨导gm6和gm7,能够使LS,GP及RS改变,进而实现对电感值LAI的调节和工作带宽的扩展,调节I3可改变跨导gm8,能使GP改变,进而也能实现电感值LAI的调节和工作带宽的扩展。尽管可以通过单个调节来改变电感值,但往往可调范围较小,因此,为了实现LNA的增益可调和增益在工作带宽内的平坦,可以通过联合调节有源电感的各偏置来完成。

1.3 FTG UWB-LNA输出级的设计

图9(a)和图9(b)分别为FTGUWB-LNA的输出级电路图及其等效小信号电路图。

图9 FTG UWB-LNA的输出级电路图及其等效小信号电路图

图9中,电容C2为隔直电容,电流镜偏置bias3为晶体管Q5提供基极偏置,R4为并联电阻。Cbe5为晶体管Q5的基极与发射极之间的结电容,Rbe5为晶体管Q5的基极与发射极之间的等效电阻,gm5为晶体管Q5的跨导。

通过图9(b)的小信号电路图,可以得到输出阻抗Zout:

(13)

在频率较低时,输出级的输出阻抗可以等效为电阻1/gm5和电阻R4的并联。为了实现良好的输出阻抗匹配,Zout需要匹配到50Ω。因此引入电流镜偏置bias3作为晶体管Q5的基极偏置来调节gm5,实现良好的输出阻抗匹配。

根据图9(a)中的bias3电路结构,可以求出跨导gm5的表达式如下:

(14)

通过合理设计R11,R12以及R13,可以满足Zout匹配到50Ω。

2 FTG UWB-LNA的性能验证和结果分析

基于WIN0.2μumGaAsHBT工艺库,利用安捷伦公司的AdvancedDesignSystem对FTGUWB-LNA进行性能验证。

图10为不同的联合偏置下的有源电感的性能验证结果。从图10可以看出在1GHz～6GHz内,通过联合调节I2和I3实现对电感值的调谐,最大电感值调节范围大小为5.02nH。

图10 不同的联合偏置下的有源电感的电感值

图11与图12分别为不同的联合偏置下电路增益S21与噪声系数FN,输入反射系数S11与输出反射系数S22的性能验证结果。在1GHz到6GHz的工作频带内,S21均高于20dB。在联合偏置调节的情况下,S21平坦度达到±0.65dB。在3.9GHz时,S21可以在21.16dB～23.9dB之间调谐(2.74dB)。同时FN为小于4.08dB,S22小于-12dB,S11小于-10dB。

图11 不同的联合偏置下电路增益S21和噪声系数FN

图12 不同的联合偏置下电路的S11和S22

表1是本设计的FTGUWB-LNA与近几年已报道的超宽带LNA的性能对比。在1GHz～6GHz工作范围内,FTGUWB-LNA的增益(S21)大于20dB且可在21.16dB～23.9dB之间调谐,增益平坦度达到±0.65dB,输入反射系数(S11)小于-10dB和输出反射系数(S22)小于-12dB。在增益方面,优于文献[10]的12.5dB和文献[13]的12.1dB且本文增益可调谐;在增益平坦度方面,优于文献[11]的±1.15dB、文献[12]的±5dB以及文献[13]的±0.7dB;在输入匹配方面,优于文献[10]的-8dB和文献[13]的-9.5dB;在输出匹配方面,优于文献[12]的-5dB。本文LNA这些性能的取得,得益于在放大级采用了可双重调节的新型有源电感和达林顿结构,一方面实现了有源电感电感值的大范围调节,进而实现了增益的宽范围调节,而且补偿了在高频下增益的下降,实现了增益的平坦。另一方面,提高了放大器的增益;在输入级采用了RLC的串并联反馈网络和新型偏置,以及在输出级采用了电阻并联和电流镜偏置的共集放大器,实现了良好的输入输出匹配。本文增益和增益的调节方法,在取得了较高增益的同时,也实现了增益的宽范围调节,且具有较好的增益平坦度,解决了增益的可调性、平坦度和大小三者之间相互制约的矛盾,为优化UWB-LNA增益的设计提供了更多的选择自由度。

表1 本文所提出FTG UWB-LNA与近几年已报道的超宽带LNA的性能参数比较

注:N/A表示未知。

3 结论

基于WIN 0.2 μm GaAs HBT工艺,设计了一款采用有源电感的增益可调且平坦的超宽带低噪声放大器(FTG UWB-LNA)。该FTG UWB-LNA,通过采用新型偏置电路和RLC反馈构成的共基-共射放大器作为输入级,采用电阻并联和电流镜偏置的共集放大器作为输出级,分别实现LNA良好的输入输出匹配。另一方面,FTG UWB-LNA采用新型有源电感和达林顿结构构成的组合电路作为放大级,实现了LNA增益在工作带宽内平坦,且可调以及提高。验证结果表明,FTG UWB-LNA,在1 GHz～6 GHz频带内,增益(S21)可以在21.16 dB～23.9 dB之间调谐;最优增益平坦度达到±0.65 dB;输入回波损耗(S11)小于-10 dB;输出回波损耗(S22)小于-12 dB;噪声系数(FN)小于4.08 dB;在4 V的工作电压下,静态功耗小于33 mW。

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An Ultra-Wideband Low Noise Amplifier with Tunable and Flat Gain*

CHENJitian,ZHANGWanrong*,JINDongyue,XIEHongyun,DUChengxiao,HUANGXin,LIUYaze,LIUShuo,ZHAOXinyi

(College of Electronic Information and Control Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

An ultra-wideband low noise amplifier with flat and tunable gain(FTG UWB-LNA)is presented. The common base cascode amplifier with RLC feedback and a novel biasing circuit was used at the input stage;the output stage uses a common-collector amplifier with parallel resistor and current mirror bias;the amplifier stage employs a combinational circuit consisting of a new active inductor load and the Darlington circuit to realize tunable and flat gain and achieve good wideband input and output impedance matching. The FTG UWB-LNA is designed in the standard WIN 0.2 μm GaAs HBT process. The gainS21can be tuned between 21.16 dB and 23.9 dB,the optimal gain flatness can be up to ±0.65 dB within a range of 1 GHz～6 GHz frequencies;theS11is better than -10 dB;theS22is better than -12 dB;theFNis less than 4.08 dB. The static power consumption is less than 33 mW under the operation voltage of 4 V.

LNA;tunable and flat gain;active inductor;UWB