射频前端基准电流源低电压抗电磁干扰设计

白会新，马振洋，王志武，杨 可，曾佩佩

（中国民航大学a.工程技术训练中心；b.天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300）

射频前端基准电流源低电压抗电磁干扰设计

白会新a，马振洋b，王志武a，杨 可a，曾佩佩a

（中国民航大学a.工程技术训练中心；b.天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300）

基于CMOS体驱动，提出低电压基准电流源电路抗干扰设计，提高航管一次雷达射频前端接收电路的可靠性。电路采用体驱动技术实现低电源电压工作，采用敏感隔离结构提高电流镜电路抗干扰性能。设计采用电源电压为1 V的0.35 μm标准CMOS工艺，对该基准电流源电路的抗电磁干扰特性进行理论分析与仿真验证，并同普通体驱动结构相比较。实验结果表明：当输入端存在3倍于参考电流大小的电磁干扰时，该结构的电流偏移小于0.3 μA。

CMOS体驱动；低电压；基准电流源；敏感隔离；抗干扰

航管一次雷达是实现雷达管制的必要设备，对民航飞行安全具有重要意义[1]。远程航管一次雷达可与广域多点定位和自动相关监视等系统组合，形成性能更全面、可靠性更高的综合空中交通管理系统，具有良好的应用前景[2]。航管一次雷达主要用于远程航路监视，其处理的信号带宽窄、载频变化范围大，实际应用中接收机的线性动态范围需足够大、灵敏度足够高，同时，可靠性和稳定性必须满足使用需求。因此，提升航管一次雷达接收机性能，以及提高其精确性和可靠性具有重要意义。

雷达数字接收机包括射频前端、模数转换器ADC、数字前端等主要电路模块，其中，射频前端电路模块主要由滤波电路、放大电路、基准电路等模拟电路组成。由于放大电路、基准电路及模数转换器等模拟器件直接对信号进行接收，处理输出后传递给下级单元，因此，其电磁敏感特性对整个系统的影响最为严重，由电磁干扰（EMI）引起的放大电路及基准电路的性能降级会导致整个系统性能的削弱甚至失效[3]。针对接收机中使用的基准电流电路，分析其面临的低工作电压及电磁敏感问题，设计一种基于体驱动的镜像节点敏感隔离结构，提高基准电流的精确性，进而提高接收机射频前端的抗干扰性能。

1 传统基准电流源电路

基准电流源电路种类广泛，但其结构和工作原理均与传统基准电流源相同，如图1（a）所示。参考电流在电阻R上产生，M1与M2、M1与M3构成电流镜结构[4]。电流镜是基准电流源的核心结构，是实现输出电流同参考电流精确匹配的关键电路单元，也是易受电磁干扰影响的结构，传统电流镜电路如图1（b）所示。在电流镜输入端产生一个参考电流Iref，输出端理论上将输出一个大小和方向都等于参考电流的输出电流Iout作为基准电流供后级使用。

图1 基准电流源及核心结构Fig.1 Current reference and critical component

2 低电压电流镜及敏感特性分析

射频综合系统要求电子设备高度集成化，集成电路的电源电压不断降低，传统栅极镜像电流镜已不能满足低电压的使用需求[5]。本文设计一种体驱动[6]电流镜结构，可在低电源电压条件下正常工作，如图2（a）所示。PMOS晶体管的栅极连接最低电位，可使PMOS晶体管的栅源电压维持正常，使PMOS晶体管源极和漏极之间形成导电沟道，不受阈值电压VTH及电源电压的制约，实现低电源电压工作。同时，基准PMOS晶体管M1的漏极同衬底相连，镜像PMOS晶体管M2的衬底同M1的衬底相连，构成低电压体驱动电流镜。

图2 低电压电流镜Fig.2 Low-voltage current mirror

在普通体驱动电流镜结构中，由于镜像节点存在寄生电容Ct，如图2（b）所示，当输入参考端存在电磁干扰时，输出电流将产生偏移，即

可见，由于非线性干扰信号在线性电路中进行传输，输出晶体管衬源电压发生变化。由于寄生电容的存在，电荷泵效应产生，电流镜电路匹配电流的精确性受到电磁干扰影响，影响大小由调制因子m直观体现。

3 抗电磁干扰低电压电流镜设计

为提高电路抗电磁干扰能力，实现体驱动电流镜在低电压领域的高可靠性应用，应通过电路设计降低镜像节点寄生电容Ct，同时降低影响因子m以抑制由电磁干扰造成的输出基准电流偏移。

本文提出一种镜像节点敏感隔离结构，如图3所示。PMOS晶体管M1、M2构成电流镜结构。CMOS晶体管M4将敏感镜像节点同M1漏极隔离，通过适当选择CMOS晶体管M3的尺寸，可保证静态偏置处于适当电位。M3和M4构成负反馈，使得基准晶体管M1的衬源电压在电磁干扰作用下仍可维持恒定。若由于干扰使输入电流升高，导致VDS1增高，则M4的衬底电压升高，加大通过M4的电流IDS4。由于VDD恒定，VDS4随IDS4的升高而升高，使得VDS3降低，进而降低M1的衬底电压，使输入电流趋向恒定。同时，电容Ca、Cb构成二阶滤波电路，进一步降低电磁干扰对输出电流的影响。本结构中，由于电容Cb的电流直接由电源电压通过晶体管M3提供，其并不会引发电荷泵效应，亦不会对电路的电磁兼容性能造成消极影响。

图3 镜像节点敏感隔离低电压电流镜Fig.3 Low-voltage current mirror with sensitive-isolated mirror node

4 仿真

为衡量本文提出的低电压电流镜设计在电磁兼容方面性能的提高，首先对普通体驱动电流镜的电磁兼容性能进行仿真。基准端采用0直流平均值的正弦波作为干扰信号[8]，电磁干扰信号幅度为30 μA，干扰信号频率为1 MHz，输出电流的仿真结果如图4所示。

图4 传统体驱动电流镜输出电流Fig.4 Output current of traditional bulk-driven current mirror

传统体驱动电流镜在电磁干扰的影响下，输出电流产生波动。更为严重的是，直流电流值发生偏移，产生电流偏移，这将对以此电流镜结构为偏置电路的后级电路结构产生严重影响。如图4所示，干扰信号幅度为30μA时，输出直流电流偏移值约高达7μA，远远超过使用容限。

在相同电磁干扰条件下，对本文提出的电路设计进行电磁兼容性能仿真，结果如图5所示。可见，当电路未稳定工作时，输出电流偏移最大值仅约为0.3 μA，当电路稳定工作后，输出基本无直流电流偏移。

图5 敏感隔离电流镜输出电流Fig.5 Output current of sensitive-isolated current mirror

本文设计的电磁兼容高可靠性低电压电流镜结构主要晶体管的宽长比如表1所示，工作电压为1 V。设计采用标准n阱0.35 μm CMOS工艺，仿真平台为Cadence。

表1 敏感隔离低电压电流镜器件参数Tab.1 Device parameter of sensitive-isolated low-voltage current mirror

5 结语

本文讨论了雷达接收机电路组成单元基准电流源电路的电磁敏感问题，提出了抗电磁干扰低电压电流镜结构。其采用体驱动技术，使用镜像节点敏感隔离结构。实验结果表明，所设计电路可在1 V低电源电压条件下工作，可有效抑制由电磁干扰造成的直流电流偏移，抗电磁干扰性能良好。

[1]安春雨,陈忠先.空管一次雷达的市场要求及发展[J].空中交通管理,2006(5):28-30.

[2]孙一超.射频带通采样雷达数字接收机的研究与设计[D].南京:南京理工大学,2014.

[3]CORDOVA D,TOLEDO P,FABRIS E.A Low-Voltage Current Reference with High Immunity to EMI[C]//Integrated Circuits and Systems Design IEEE,Aracaju,September 1-5,2014:1-6.

[4]PAUL R G,PAUL J H,STEPHEN H,et al.模拟集成电路的分析与设计[M].北京:高等教育出版社,2003.

[5]白会新,李洪革,谢树果,等.抗电磁干扰低电压CMOS放大器设计[J].电子学报,2015,43(9):1870-1874.

[6]尹 韬,朱樟明,杨银堂,等.衬底驱动MOSFET特性分析及超低压运算放大器设计[J].半导体学报,2005,26(1):158-162.

[7]REDOUTEÉ J M,MICHIEL S.EMI resisting CMOS differential pair structure[J].Electronics Letters,2006,42(21):1217-1218.

[8]LI Hong’ge,BAI Huixin,XIE Shuguo,et al.Bulk-driven CMOS amplifier with high EMI immunity[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2015,57(6):1425-1434.

（责任编辑：刘佩佩）

Design of low-voltage current reference circuit in RF front-end with high electromagnetic interference immunity

BAI Huixina,MA Zhenyangb,WANG Zhiwua,YANG Kea,ZENG Peipeia
（a.Engineering Techniques Training Center;b.Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance Key Lab of Tianjin,CAUC,Tianjin 300300,China）

Based on CMOS bulk-driven structure,a low-voltage current reference circuit with high electromagnetic interference （EMI） immunity is proposed,improving the reliability of RF front-end receiver circuit in primary surveillance radar.In the circuit,bulk-driven structure realizes low-voltage supply and sensitive isolation structure improves EMI immunity.The design is implemented in a 0.35 μm standard CMOS process using 1V power supply.Theoretical analysis and simulation results for EMI robustness are presented and compared with the classical bulk-driven structure.Results show that the current shift of the proposed design is less than 0.3 μA when a 3 times of EMI referred to the reference current is presented in the input.

CMOS bulk-driven;low-voltage;current reference;sensitive isolation;EMI immunity

V243.2；TN432

：A

：1674－5590（2017）04－0051－03

2017-01-12；

：2017-03-13

国家自然科学基金项目（61601468）；中国民用航空局科技创新引导资金项目（20150227）；中国民航大学实验技术创新基金项目（2016SYCX30）

白会新（1990—），女，河北承德人，助理工程师，硕士，研究方向为电路系统设计和实验技术研究.