2.3～2.7 GHz 双模式低噪声射频接收前端全集成芯片的设计*

饶忠君 ，张志浩 ，2，章国豪 ，2

（1.广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006；2.河源广工大协同创新研究院，广东 河源 517000）

0 引言

近年来，通信技术以惊人的速度发展，新一代移动通信芯片将被要求支持更多的频段和敦促显著的频率灵活性。低噪声放大器在蜂窝通信、WLAN、无线传感网络和WiMax 等领域得到了广泛运用[1]。在2019 年RDCAPE 会议，BANSAL M 和JYOTI 提出了一款基于CMOS 工艺的2.4 GHz 蓝牙通信的低噪声放大器，它的噪声系数为3.695 dB，最大增益为21.154 dB[2]。同年的IEMCON 会议，KHOSAVI H 等人发表了一个应用于WLAN 2.4 GHz 的低噪声放大器，该低噪声放大器的增益为15.1 dB，噪声系数为2.7 dB[3]。近年来，对于宽频带低噪放的研究也受到了广泛的关注。例如 2020 年PATHAKR D 等人设计了一个工作在2.2～2.55 GHz 的无线传感器网络低噪声放大器，在工作频段内的噪声系数和增益分别为3.6 dB 和24 dB[4]。但是，这些研究在实现高增益宽频带情况下获得的噪声系数普遍比较大。为此，本文基于GaAs pHEMT 工艺，设计并实现了一款宽频带、可满足多种无线通信服务需求的带旁路功能的射频接收前端全集成芯片。在LNA模式下，该芯片在2.3～2.7 GHz 的宽频带范围内可实现1.53～1.64 dB 较低的噪声系数和18.1～19.2 dB 较高的增益性能。

1 电路设计

1.1 接收前端芯片整体框图

图1 显示了所设计的射频接收前端全集成芯片整体框图，主要由单刀双掷（SPDT）收发开关和低噪声放大器两部分构成。其中，设计的低噪声放大器包含两种工作模式，LNA 使能模式和旁路（Bypass）模式[5]。ANT端口为射频信号的输入端，OUT 端口为射频信号输出端。从天线端接收到的信号先经过SPDT 开关的RX 通道到达低噪声放大器的输入端。在LNA模式下，低噪声放大器将接收到的微小信号进行放大以供给后级电路。在Bypass模式下，输入的高功率信号将被旁路，使得输出信号能够在可控范围内，供后级电路处理，同时提高接收系统的动态范围[6]。

图1 射频接收前端芯片框架图

1.2 射频开关设计

如图2 所示，本设计的SPDT 开关采用非对称结构[7]。根据发射及接收输入信号不同的功率容量要求，在发射链路的串联支路上堆叠了2 个开关管（等效为M1），并联支路上堆叠了3 个开关管 （等效为M3）；而在接收链路的串联支路上堆叠了3 个开关管（等效为M2），并联的支路上堆叠了2 个开关管（等效为M4）。在TX、ANT、RX射频端口和与之间加入隔直电容以实现直流电压的悬浮[8]。当V1 为高电平，V2 为低电平时，M1、M4 导通，M2、M3 关断，此时工作于发射模式，来自PA 的大功率信号从TX 端口输入，从ANT 端口输出。当V1 为低电平，V2为高电平时，M2、M3 导通，M1、M4 关断，从天线接收到的信号从ANT 端口输入，从RX 端口输出。

图2 非对称SPDT 开关结构图

1.3 LNA模式电路设计

低噪声放大器的设计目标是在尽量低噪声系数的情况下提高增益[9]。如图3 所示，为了同时获得较低的噪声系数和较高的增益，主放大电路采用带源极电感负反馈的共源共栅结构[10]。在不增加噪声的情况下，输入端采用源极电感Ls负反馈结构实现输入匹配，尽可能实现最小的噪声和最大的增益。LNA模式的输入阻抗Zin、输入网络等效Q 值、增益Av如下：

图3 LNA模式原理图

其中，C1为隔直电容，Cgs为M5 管的栅源电容，gm5为M5管的跨导，gm6、gmb6分别为M6 管的跨导和体跨导，r05与r06分别为M5管、M6管的输出电阻，Ron为RX射频开关导通电阻[11]，Rg为栅极输入匹配电感等效寄生电阻。由式（1）可知，输入匹配电路主要由RX 开关导通电阻Ron、隔直电容C1、输入电感Lg、源极电感Ls、M5 的栅源电容Cgs等构成。可以通过调节输入电感Lg与源极电感Ls的值使得输入等效电感值与隔直电容C1，放大管M1 的寄生电容Cgs输入等效电容值在低噪声放大器所处的频带内谐振，使得输入阻抗的虚部近似等于零。同时在这一过程中还需要折中调节源极电感Ls的值，使得输入阻抗的实部为50 Ω，实现整体阻抗的匹配[12]。作为全集成接收前端芯片，射频开关与低噪声放大器是联合设计的，因此射频开关也参与了低噪声放大器的输入匹配，进而实现整个工作频带的输入匹配。如图4 所示，输入等效电路为串联RLC 电路，由式（2）可知输入网络等效Q 值与Ron和Rg成反比。因此，在设计过程中，应尽量提高输入匹配网络的Q 值并降低开关的插入损耗，有助于提升增益并降低噪声系数。由式（3）可知，共源共栅放大器的增益是共源极放大器增益的平方，具有高增益特性，可以实现更高的增益[13]。此外共源共栅结构的等效漏源电容Cgd可以等效为共源管的栅漏电容和共栅管的栅漏电容的串联，Miller 电容效应较小，进而使得输出端对输入端产生的影响较小[14]。

图4 输入网络等效电路

1.4 Bypass模式电路设计

考虑到接收机在靠近信号源时会获得很高的功率，同时为了提高接收机的动态范围[15]，本设计增加了Bypass 电路功能。如图5 所示，Bypass 功能主要由开关SW1、SW2、SW3、SW4 和SW5 构成，这些开关根据工作模式自动切换。在LNA模式下，开关SW1、SW2、SW4 处于关断状态，开关SW3 和SW5 处于闭合状态。开关SW3被设计在LNA模式下增加Bypass 通路的隔离度。在Bypass模式下，开关SW1、SW2、SW4 处于导通闭合状态，开关SW3 和SW5 处于关断状态。开关SW2 和SW4 为Bypass 主要通路，Bypass模式下的插入损耗主要由这两个开关管决定。开关SW1 主要用于在Bypass模式下切断低噪声放大器的栅极偏置，并防止高输入功率信号对放大管M5 的栅源极造成损坏。

图5 Bypass模式原理图

2 测试结果分析

图6 给出了射频接收前端全集成芯片的显微镜照片，其中黑色方框为SPDT 开关，灰色方框代表LNA 和Bypass 电路，白色方框代表逻辑控制电路。

图6 全集成接收前端芯片照

图7 描述了LNA模式下接收前端芯片的噪声系数测试，包括SPDT TX/RX 开关以及LNA 噪声系数，在2.3～2.7 GHz 频率范围内,噪声系数为1.53～1.64 dB。

图7 LNA模式噪声系数测试图

图8 呈现了LNA模式的小信号S 参数测试结果。在2.3～2.7 GHz 频率范围内，LNA模式下小信号增益S21在18.1～19.2 dB 之间，反向隔离度大于-30 dB。

图8 LNA模式S 参数测试图

图9 给出了Bypass模式下S 参数测试图。在2.3～2.7 GHz，旁路整体损耗约为6～7 dB，能有效衰减输入的高功率信号。

图9 Bypass模式S 参数测试图

如图10 所示，LNA模式下，在2.5 GHz 时测试输入P1dB 为-1.5 dBm。这表明低噪声放大器的线性度良好。

图10 LNA模式输入P1dB@2.5 GHz 测试图

本文结果与近年来发表的文献对比如表1 所示，可以看出，本设计实现的芯片的噪声系数水平明显低于其他设计。

表1 LNA 测试结果与近年来发表文献对比

3 结论

本文基于一种GaAs pHEMT 工艺，设计并实现了一款宽频带的射频接收前端全集成芯片，具有LNA 高增益和Bypass 双模式。整体电路由非对称收发开关及带源级电感负反馈的共源共栅结构构成，在宽频带内保证较低的噪声系数的同时也提升了增益和线性度。实现的接收前端全集成芯片在LNA模式下，于2.3～2.7 GHz 频率范围内测试的噪声系数可达到1.53～1.64 dB 的较低水平，且增益在18.1～19.2 dB 之间。在2.5 GHz 时，输入1 dB压缩点为-1.5 dBm。