一种低功耗增益可调双频段低噪声放大器的设计

吴秀山 李丽欣 韩建强

摘 要： 基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺，实现一种低功耗增益可调的双频段低噪声放大器（LNA），该LNA采用全差分的无电感电阻并联负反馈结构以展宽频带，利用单端到双端的匹配网络与电容反馈补偿实现所需频段的输入阻抗和噪声匹配。仿真结果表明，LNA在380～480 MHz范围时，S21从12.2 dB均匀增加为23.2 dB，S11优于-11 dB，S12均小于-34 dB，最优的NF为3.3～2.1 dB;在700～1 200 MHz范围内S21为7.8～18.1 dB;S11也均小于-10 dB，S12均优于-28 dB，最优的NF为4.4～2.3 dB。电路在1.8 V供电下功耗仅为0.74～2.4 mW，综合性能指标优越。

关键词： 低噪声放大器; 增益控制; 电容反馈补偿; 噪声系数; 噪声优化; 输入匹配

中图分类号： TN722.3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）12?0014?05

Abstract： A gain adjustable dual?band low noise amplifier （LNA） with low?power consumption is designed on the basis of 0.18 μm CMOS process of TSMC. In the LNA， the fully?differential inductionless resistance parallel negative feedback structure is adopted to broaden the frequency band. The matching network from the single terminal to the double terminal and the capacitive feedback compensation are used to realize the input impedance and noise matching of the required frequency bands. The simulation results show that when the frequency band of LNA is 380～480 MHz， S21 is increased averagely from 12.2 dB to 23.2 dB， S11 is better than ?11 dB， all of S12 are lower than -34 dB， and the optimal noise figure （NF） is 3.3～2.1 dB; when the frequency band of LNA is 700～1200 MHz， S21 is 7.8～18.1 dB， all of S11 are lower than ?10 dB， all of S12 are better than -28 dB， and the optimal NF is 4.4～2.3 dB; the power consumption of the circuit is only 0.74～2.4 mW while the power supply is 1.8 V; the comprehensive performance indicator of LNA is superior.

Keywords： low?noise amplifier; gain control; capacitive feedback compensation; noise coefficient; noise optimization; input matching

由于无线通信技术的快速发展，无线通信产品支持多种通信标准成为迫切需求，设计具有较大系统动态范围、射频前端增益可配置及兼容多频段的射频前端成为了当前研究热点之一[1]。从文献[2?3]中看，有很多种实现双频段的方法，无论采用窄带还是宽带，在设计中都大量采用了片内集成电感，占用大量的芯片面积并极大地增加了制造成本，而且在片的集成电感品质因数较差，限制了放大器的噪声性能的提高。本次设计了一种低功耗增益可调的380～480 MHz/700～1 200 MHz双频段LNA，电路利用3位增益控制信号来选通尾电流源产生不同的增益控制电压以改变电路的放大增益。仿真结果表明，电路实现了5档增益可调，并且非常平坦，实现了不同频段不同增益下的输入阻抗匹配及噪声匹配，整体性能优越，电路在1.8 V供电下功耗仅为0.74～2.4 mW，完全可以满足ISM频段及GSM900频段的需求[4]。

1 系统结构及工作原理

本文设计的LNA整体结构如图1所示，包括单端到双端的阻抗匹配网络、主增益级电路、增益控制电路、反馈电容单元及输出缓冲电路。输入阻抗匹配网络接收来自于天线射频输入信号，由于电路主增益級采用全差分的电路结构，所以设计了单端转双端的匹配电路如图2所示[5]。

图中：CH1～CH4为片内隔直电容;Rfn和Rfp为并联反馈电阻;N1与N2为LNA的主放大管，是电路噪声系数主要贡献来源;P1与P2管为共栅结构，主要是提供较大的反向隔离度和抑制主放大管的密勒效应[6?7];Vref通过R1和R2分别为P1管和P2管提供偏置电压，若Vref改变，P1与P2管跨导将改变。通过隔直电容及反馈电阻进一步改变N1与N2的栅源电压，从而改变N1与N2管的跨导，最终改变输入匹配以产生不同的放大增益。差分的输出级电路如图4所示，N1，N2，R1与R2（N3，N4，R5与R6）构成互补源极跟随器。增益控制级电路如图5所示，主要为4路可控镜像电流源，当EN为高电平时，开关管MP1导通，偏置电流I流过MP1和MN1，电流镜根据外部输入的3位增益控制信号来实现可编程，第一位LVL<0>来选通第一个电流镜，当选通时电流为I;以此类推，当EN为高电平并且3路控制信号从000步进为111时，流过MP2电流从I0变换为（I0+7I），步进为I，MP2管沟道的宽长比确定后，将产生可编程栅漏电压即增益控制电压Vref。

2 输入阻抗及噪声分析

图3中的单端小信号等效电路如图6所示。在图6中N1，P1管的栅寄生电阻和源漏端的寄生电阻都进行了忽略，Cgs为N1，P1管的等效栅源电容和。[i2nd]为沟道热噪声电流的均方值，[i2ng]为感应的栅电流噪声，以上噪声都是N1，P1管的噪声和;[i2RF]为反馈电阻的热噪声。图6中的匹配网络对于单端输入的电路可以等效为一个电感Lg与电阻Rg的串联，电阻Rg为电感的寄生电阻。ZL为后级输出缓冲级的等效输入阻抗，一般为电阻与电容的并联等效阻抗，输出缓冲级N1的栅源电容很小，在工作频率点上输出缓冲级N1的栅源电容的容抗很大，所以ZL可等效为一个电阻RL，主要是直流电阻R1，从图6中可得到单端的输入阻抗Zin的表达式为：

3 仿真结果及分析

对于设计的增益可调的双频段低噪声放大器，采用TSMC 0.18 μm RF CMOS工艺，使用ADS2008进行仿真，电源电压为1.8 V，反馈电容单元的最小电容C为7 fF，增益控制级电流源的偏置为7.2 μA，电路仿真时在输出端直接利用了一个理想的[2∶1]的巴伦将双端转变成单端。设计的输入匹配网络及电路器件的关键参数如表1所示。

当输入的增益控制信号LVL<0：2>为000，001，010，100及111时，仿真的S11，S21及NF的结果如图8和图9所示。从图8中可以得到，在380～480 MHz频带内单端到双端的匹配电路参数设计合理。当增益控制信号LVL<0：2>从111变化到000时，噪声系数NF逐步恶化，主要原因为电路功耗下降较快，在1.8 V电压下电路功耗从2.4 mW下降为0.74 mW，并且偏离设计的频段后，不再满足噪声优化条件，噪声恶化很快;S21从12.2 dB几乎线性增加为23.2 dB，S11优于-10 dB，并且都具一定的平坦度。

从图9中可以得到优化设计的单端到双端的匹配电路参数合理，LVL<0：2>从111变化到000时，最优噪声系数NF为4.4～2.3 dB;S21从7.8 dB几乎线性增加为18.1 dB，S11优于-10 dB，并且在设计的频率范围内也都具一定的平坦度。

图10所示为当LVL<0：2>为111、两个频段分别在433 MHz和915 MHz频率点上的P1 dB和IIP3的仿真结果。由图10a）可得，在433 MHz时，IIP3=-5 dBm，P1 dB=-2 dBm;由图10b）可得，在915 MHz时，IIP3=5 dBm，P1 dB=-7 dBm，线性度性能优良。

表2给出了本文的LNA与已发表的LNA性能比较。可以看出，本文设计的LNA在噪声、增益、功耗和阻抗匹配等各个性能指标之间进行了折中，具有更好的综合性能。

4 结 语

基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺设计了一种低功耗增益可调的380～480 MHz/700～1 200 MHz双频段LNA，給出了电路的整体结构框图。基于电路的小信号等效模型对输入阻抗和噪声进行了分析和推导，通过理论分析和仿真验证，电路具有5档增益线性可调，实现了不同频段不同增益下的输入阻抗匹配及噪声匹配，整体性能优越，电路在1.8 V供电下功耗仅为0.74～2.4 mW，并且整个电路无电感可以极大地减小电路的版图面积，可以满足ISM频段及GSM900频段的需求。

参考文献

[1] MA L， WANG Z G， Xu J， et al. A high?linearity wideband common?gate LNA with a differential active inductor [J]. IEEE transactions on circuits and systems II： express briefs， 2017， 64（4）： 402?406.

[2] CHENG T， YANG T， WANG X， et al.A wideband CMOS variable?gain low noise amplifier with novel attenuator [C]// Proceedings of IEEE 10th International Conference on ASIC （ASICON）. Shenzhen： IEEE， 2013： 797?800.

[3] IM D， NAM I， LEE K. A CMOS active feedback Balun?LNA with high IIP2 for wideband digital TV receivers [J]. IEEE Transactions on microwave theory and techniques， 2010， 58（12）： 3566?3579.

[4] 陈迪平，蒋广成，马俊.一种新型双频段可变增益低噪声放大器[J].湖南大学学报（自然科学版），2017，44（4）：118?123.

CHEN Diping， JIANG Guangcheng， MA Jun. New dual?band variable gain low noise amplifier [J]. Journal of Hunan University （Natural sciences）， 2017， 44（4）： 118?123.

[5] LIU J Y C， CHEN J S， HSIA C， et al. A wideband inductor?less single?to?differential LNA in 0.18 μm CMOS technology for digital TV receivers [J]. IEEE microwave and wireless components letters， 2014， 24（7）： 472?474.

[6] IM D. A +9?dBm output P1db active feedback CMOS wideband LNA for saw?less receivers [J]. IEEE transactions on circuits systems II： express briefs， 2013， 60（7）： 377?381.

[7] EL?NOZAHI M， HELMY A A， SANCHEZ?SINENCIO E， et al. An inductor?less noise?cancelling broadband low noise amplifier with composite transistor pair in 90 nm CMOS technology [J]. IEEE journal of solid?state circuits， 2011， 46（5）： 1111?1122.

[8] PERUMANA B G， ZHAN J H C， TAYLOR S S， et al. Resistive?feedback CMOS low?noise amplifiers for multiband applications [J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques， 2008， 56（5）： 1218?1225.

[9] JOO S， CHOI T Y， JUNG B. A 2.4?GHz resistive feedback LNA in 0.13?μm CMOS [J]. IEEE journal of solid?state circuits， 2009， 44（11）： 3019?3029.

[10] QIN P， XUE Q. Compact wideband LNA with gain and input matching bandwidth extensions by transformer [J]. IEEE microwave and wireless components letters， 2017， 27（7）： 657?659.