基于谐波抑制技术的高线性CMOS LNA

杨 璐 陶 波

（西安通信学院，西安 710106）

基于谐波抑制技术的高线性CMOS LNA

杨 璐 陶 波

（西安通信学院，西安 710106）

基于0.1 8 μm C MOS工艺，设计了一种差分低噪声放大器（L NA）。为了改善该放大器的线性度，提出了一种谐波抑制技术。该技术在增益级采用RC反馈网络。该技术的应用可将共栅晶体管漏极的三阶谐波分量反馈回共栅晶体管源级，以抑制L NA输出端口三阶谐波分量的产生。电路仿真结果表明，与传统的L NA相比，改进后的L NA的输入三阶交调点I I P 3提高了约4 d B，验证了该技术的实用性和可行性。

差分，反馈，谐波抑制，高线性

随着无线通信系统的快速发展，低噪声放大器（LNA）的用途越来越广泛，而且，由于CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺相较于其它工艺具有低功耗及易集成等特点，采用CMOS工艺设计LNA已经逐渐成为趋势[1～3]。然而，CMOS工艺在射频放大器设计中的应用，也面临诸多挑战，例如，鉴于在CMOS工艺中，不存在通孔，因此，由键合线寄生电感引起的增益退化效应更加明显。此外，相对于化合物半导体而言，CMOS器件的线性度较差，这对于高线性CMOS放大器的设计提出了更加严峻的挑战。幸运的是，由寄生电感效应引起的增益退化问题可通过采用差分电路结构产生虚拟节点的方式解决，但为了设计性能指标较优的CMOS放大器，针对CMOS器件线性度较差的问题，仍需要持续地探索合理的解决方法。本文提出了一种在增益级采用反馈网络的谐波抑制技术，以提高CMOS LNA的线性度。

1 理论分析

为了提高LNA的线性度，需要抑制放大器节点处的谐波分量。对于差分放大器中的二阶谐波分量，得益于电路差分结构的特点，二阶谐波分量可以得到有效的抑制，因而，对于基于CMOS工艺的差分电路结构而言，本文主要对三阶谐波分量进行分析研究。图1所示为传统CMOS放大器的电路图，图中的节点电压可用以下表达式进行表示：

图1 传统的差分放大器

式（1）中，假设放大器是全差分的，因此，不存在偶次阶谐波分量。由式（1）可得，VC,OUT（t）的三阶谐波分量为：

通常，为了保证放大器的线性操作状态，会使α1A+（3α3A3）/4和β1分别大于（3α3A3）/4和β3，因此，式（2）可简写为：

为了抑制式（3）中的三阶谐波，本文提出了一种采用反馈网络的谐波抑制技术，图2所示为所提出的谐波抑制技术的概念原理图。如图2（a）所示，在共栅晶体管的源级和漏极间引入传输函数为H（ω）的反馈网络，此图中，经过计算，输出端口信号VP,OUT（t）的三阶谐波分量表示为：

这里，假设对于基波频率的H（ω）幅度为零，并且β1远远大于β3。由式（4）可见，为了确保VP,OUT（t）的三阶谐波分量低于VC,OUT（t）的三阶谐波分量，式（4）中的（1-β1H）项一定要高于β1。同理，对于三阶谐波分量的H（ω）幅度的极性必须为负。为了在不额外增加电路的情况下，实现H（ω）的负极性，将图2（a）的电路重新修正为图2（b）所示的电路，图2（b）中，H（ω）交叉耦合相连接，可以很容易地保证H（ω）的负极性，因而实现抑制差分放大器输出端口三阶谐波分量的目的，进而提高电路的线性度。

图2 本文提出的谐波注入技术

2 电路设计与仿真

为了验证所提出的谐波抑制技术的可行性与有效性，基于台湾积体电路制造股份有限公司（TSMC）0.18μm CMOS工艺设计了一款5.2GHz的LNA，图3所示即为本文所提出LNA的简化电路图，图中未给出偏置电路。LNA的第一级电路采用基于电感源级退化结构的噪声匹配技术，第二级采用谐波抑制技术，电阻RF和电容CF构成的网络组成电路的反馈环路，RF的大小直接决定了反馈信号的强弱，同时，CF也起到隔直的作用。

图3 本文提出的LNA简化电路图

仿真得到的S参数如图4所示。由图可见，在工作频率5.2GHz处，输入反射系数S11和输出反射系数S22分别为-29.9dB和-23.5dB，增益S21为14.6dB，隔离度S12为-43.3dB。仿真得到的噪声系数如图5所示，由图可见，在5.2GHz的工作频率处，噪声系数低至1.01dB，同时，仿真得到输入三阶交调点IIP3高达5dBm，与传统的LNA相比，输入三阶交调点IIP3提高了约4dB。

图4 （a） S11、S22仿真结果 图4（b） S12、S21仿真结果

图5 噪声系数NF仿真结果

3 结束语

综上所述，本文提出了一种采用RC反馈网络的谐波抑制技术，以用于差分CMOS LNA的设计。该技术的原理为将共栅晶体管漏极处的三阶谐波分量反馈回共源晶体管漏极，以抑制LNA输出端口处三阶谐波分量的产生。为了验证该技术应用于线性放大器中的有效性，本文采用相同的工艺、相同的参数分别设计了一款传统的LNA和一款新型LNA，并对两者的仿真数据进行了比较，验证了该技术的有效性。

1 Im D, Lee O, Nam I. A TV Receiver Front-End with Linearized LNA and Current-Summing Harmonic Rejection Mixer [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2017, 64(3): 269～273

2 Souza M D, Mariano A, Taris T. Reconfigurable Inductorless Wideband CMOS LNA for Wireless Communications[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2017, 64(3): 675～685

3 Jung S J, Hong S K, Kwon O K. Low-Power Low-Noise Amplifier Using Attenuation-Adaptive Noise Control for Ultrasound Imaging Systems[J]. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 2017, 11(1):108～116

1009-8119（2017）08（1）-0060-02