應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2. 4 GHz的低噪聲放大器設(shè)計(jì)

  傳感器網(wǎng)絡(luò)將是信息獲取(傳感) 、信息傳輸與信息處理三大子領(lǐng)域技術(shù)再一次相互融合的產(chǎn)物。

　　某些場(chǎng)合的通信不能依賴于任何預(yù)先架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,而是需要一種能夠臨時(shí)快速自動(dòng)組織網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)通信技術(shù)。因此、傳感器網(wǎng)絡(luò)將逐漸引領(lǐng)人類步入“網(wǎng)絡(luò)即傳感器”的傳感時(shí)代。

　　低噪聲放大器LNA ( low noise amp lifier)是射頻接收前端的主要組成部分。由于位于接收前端的第一級(jí),直接與天線相連,所以它的噪聲特性將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著決定性作用。同時(shí),天線接收的信號(hào)一般很弱,所以低噪聲放大器本身必需提供足夠的增益放大信號(hào),并把有用的信號(hào)完整地傳輸?shù)较乱患?jí)。

　　本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器,工作在2. 4 GHz頻段上,采用SM IC 0. 13μm RF CMOS工藝設(shè)計(jì)。對(duì)于射頻系統(tǒng),尤其是應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的模塊,功耗是必須首先考慮的問題。在此基礎(chǔ)上放大器需提供足夠的增益以及低噪聲系數(shù),并且滿足一定的帶寬、線性度以及穩(wěn)定度。但是最小噪聲系數(shù)與最大增益是不可能同時(shí)得到的。因此,如何在限定功耗的前提下盡可能實(shí)現(xiàn)輸入輸出功率匹配以及提高低噪聲放大器的噪聲性能成為設(shè)計(jì)中的最大挑戰(zhàn)。

　　1　低噪聲放大器設(shè)計(jì)

　　1. 1　電路結(jié)構(gòu)

　　本文采用的低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　低噪聲放大器原理圖

　　該低噪聲放大器主體電路采用共源共柵的差分結(jié)構(gòu),由于共柵級(jí)電路的輸入阻抗很小,抑制了共源級(jí)的電壓增益,從而遏制了密勒效應(yīng),提高了反向隔離度,同時(shí)使輸入阻抗受共源管M1、M2 柵漏間電容以及后級(jí)電路影響變小,使放大器穩(wěn)定性增強(qiáng)。

　　在該結(jié)構(gòu)中,片內(nèi)電阻R1、R2 分壓產(chǎn)生偏置電壓Vbias ,通過Rg1、Rg2加在共源管M1、M2 柵極, 為其提供直流偏置。為了保證較低的噪聲系數(shù), Rg1、Rg2應(yīng)選取阻值較大的電阻, 以隔離偏置電路中電阻R1、R2 帶來的噪聲。晶體管M3、M4 為共柵MOS管。

　　片內(nèi)源極電感Ls1、Ls2以及M1、M2 柵源間附加電容Cex1、Cex2配合柵極片外電感Lg1、Lg2 , 實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器的輸入匹配。電感Ld1、Ld2分別和電容Cd1、Cd2并聯(lián),再分別與Cd3、Cd4串聯(lián), 實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器的輸出匹配。

　　分析圖1所示差分共源共柵放大器的半電路工作狀態(tài),對(duì)于工作于飽和區(qū)的MOS管有：

　　為保證低噪聲放大器滿足較小的噪聲系數(shù),放大電路中的MOS管的柵長應(yīng)盡量選擇最小值,本工藝最小柵長為0. 13μm,所以,共源管M1 和共柵管M3 的柵長L1、L3 皆設(shè)為0. 13μm。在此情況下,改變共源管和共柵管的柵寬W1、W3 ,可以調(diào)整M1、M3的跨導(dǎo)gm1、gm3。根據(jù)共源共柵電路性質(zhì)可知,改變共源管和共柵管的跨導(dǎo)可以改變放大器的增益。本次設(shè)計(jì)采用1. 2 V電源電壓供電,為了保證一定的線性度,以及確保M1 柵源電壓Vgs1大于閾值電壓Vth (本工藝的Vth約為430 mV) ,選擇直流偏置電壓Vgs1為600 mV。對(duì)于工作于飽和區(qū)的MOS管,其漏極電流Id 表示為：

　　本次設(shè)計(jì)要求功耗限制為8 mW, 在偏置電壓Vgs1以及各工藝參數(shù)都已確定的情況下, 共源管M1和共柵管M3 的柵寬W1、W3 決定了該放大器的工作電流Id ,即決定了放大器的功耗。設(shè)計(jì)時(shí),在保證增益的前提下, 調(diào)整W1、W3 , 仿真得到半電路工作電流約為3 mA,即總電流約為6 mA,滿足指標(biāo)要求。

　　該低噪聲放大器增益控制電路采用信號(hào)加成模式,增益控制MOS管Mc1、Mc2由VC1控制,Mc3、Mc4由VC2控制。在半電路中,通過改變Vc1可以改變Mc1的通斷,在Id1不變的情況下,則可以改變流過M3 電流Id3。而工作在飽和區(qū)的M3 管的跨導(dǎo)gm3可以表示為：

　　所以改變Id3可以改變gm3 , 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)放大器增益的改變。

　　1. 2　輸入匹配

　　圖1所示低噪聲放大器輸入端半電路及其小信號(hào)等效電路如圖2所示。

圖2　輸入端電路結(jié)構(gòu)及小信號(hào)模型

　　首先考慮輸入端未接入M1、M2 柵源間附加電容Cex1、Cex2時(shí)的情況。通過輸入端電路小信號(hào)模型分析得放大器輸入阻抗為：

　　為了得到最小的噪聲系數(shù), 源阻抗最佳值(最佳噪聲源阻抗) Zop t應(yīng)滿足：

　　其中,α為共源管跨導(dǎo)與其源漏電導(dǎo)的比值。δ為一常數(shù),γ為一系數(shù), 在長溝道器件中,δ的值約為1. 33,γ的值約為0. 67, 在短溝道器件中, 這兩個(gè)值都會(huì)因?yàn)槎虦系佬?yīng)而變大。定義c為柵噪聲與漏噪聲相關(guān)系數(shù), 其值一般為0. 395 j, 為一純虛數(shù),反映了柵和溝道間噪聲引起的的容性耦合程度。

　　源級(jí)電感Ls 和柵極電感Lg 不會(huì)導(dǎo)致最佳噪聲源阻抗的實(shí)部發(fā)生變化,而僅對(duì)電抗部分產(chǎn)生影響。

　　要實(shí)現(xiàn)功率和噪聲同時(shí)匹配,必須使輸入阻抗Zin和最佳噪聲源阻抗Zop t共軛匹配, 令Zin = 50 Ω,則有：

　　即：

　　式(6)中有4個(gè)方程, 4個(gè)未知數(shù),只有一組解,即功率匹配和噪聲匹配同時(shí)滿足時(shí), 功耗( Id )是確定的,不可以優(yōu)化。而在限定功耗的情況下,功率匹配和噪聲匹配則不可能同時(shí)滿足。

　　于是在電路設(shè)計(jì)中就需要在噪聲匹配和功率匹配中進(jìn)行折中。下面引入M1 管柵源間附加電容Cex ,這樣,輸入阻抗變?yōu)椋?/p>

　　最佳噪聲阻抗Z ′ op t表示為：

　　這樣, 為了使功率和噪聲同時(shí)匹配, 令Zin =Z ′ op t*= 50Ω,得到：

　　式( 9)中有4個(gè)方程, 5個(gè)未知數(shù),則可以限定任何一個(gè)參數(shù),再優(yōu)化其它參數(shù)。所以,在功耗( Id )限定的情況下, 仍然可以進(jìn)行功率噪聲匹配。引入Cex后,通過調(diào)整Cex ,首先可以使最佳噪聲源阻抗Z ′op t實(shí)部為50Ω。

　　再選擇Ls ,使電路滿足Re [ Z′in ] = Re [ Z ′op t ] =50Ω。根據(jù)式(8) 、式(9)可以推出：

　　式(10)指出,選取的Ls 的電感值在引入Cex后亦可以比沒有連接Cex時(shí)有所降低。Ls 為源極負(fù)反饋電感,由于電感中的寄生電阻影響以及該電感本身的負(fù)反饋性質(zhì),低感值的電感可以做到更好的噪聲系數(shù)。

　　最后,調(diào)整片外電感Lg ,使諧振頻率為ω0 (設(shè)計(jì)要求ω0 為2. 43 GHz) ,ω0 表示為：

　　由于Cadence工具的局限性,仿真S參數(shù)時(shí)無法顯示Sop t曲線,噪聲匹配很難做到最優(yōu)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,當(dāng)共源管M1、M2 寬長比以及其偏置電路都已經(jīng)確定時(shí),可以通過掃描Cex參數(shù),比較最小噪聲系數(shù)NFmin ,選取其最佳值。當(dāng)最小噪聲系數(shù)NFmin確定后,再通過進(jìn)一步調(diào)整Cex ,盡量滿足功率匹配。在此過程中,必須同時(shí)關(guān)注噪聲系數(shù)NF和最小噪聲系數(shù)NFmin的變化,最后通過比較,選擇折中的優(yōu)化結(jié)果,確定恰當(dāng)?shù)腃ex和Ls、Lg 值。

　　1. 3　輸出匹配

　　電路輸出端通過漏極電感并聯(lián)、串聯(lián)電容的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。漏極電感的選取對(duì)低噪聲放大器的性能有較大影響。電感值的大小直接影響放大器的增益。較大感值的電感可以增加LC并聯(lián)諧振電路的等效阻抗,從而帶來更高的電壓增益。但是大電感的自諧振頻率較低,而射頻電路要求的工作頻率卻很高。同時(shí),大電感也會(huì)占用更大的芯片面積,引入較大的噪聲。而且,當(dāng)電感值過大使放大器輸出阻抗實(shí)部超過50Ω時(shí),必需通過在輸出端并聯(lián)電感或增加源極跟隨器等緩沖電路的方法才能將輸出阻抗匹配到50Ω。如果直接并聯(lián)電感,則會(huì)使輸出端直流短路,要解決這個(gè)問題,則必須串聯(lián)一個(gè)大電容后再將此電感并入電路,對(duì)于整體設(shè)計(jì)來說,引入了更多的無源元件,一方面大大影響了電路性能,另一方面也占用了更多面積。而增加一級(jí)緩沖電路,則會(huì)增加放大器的額外功耗。對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的模塊,這兩種方法都不可行。因此,具體設(shè)計(jì)時(shí),需選取恰當(dāng)?shù)碾姼?既能保證應(yīng)有的增益,又可以使輸出阻抗實(shí)部在50Ω附近。

　　由于該電路結(jié)構(gòu)具有較高的隔離度,輸出端阻抗的調(diào)整對(duì)輸入端影響不大,可以在輸出端單獨(dú)進(jìn)行匹配。具體設(shè)計(jì)過程中,可以首先在輸出端只連接漏極電感Ld ,通過仿真其S22參數(shù),仿真其對(duì)應(yīng)頻率2. 43GHz下的輸出阻抗。然后對(duì)照Smith圓圖,先并聯(lián)電容將輸出阻抗實(shí)部調(diào)整到50Ω,再通過串聯(lián)電容,將輸出阻抗虛部調(diào)整到0。這樣,最后可以將輸出阻抗匹配到50Ω,實(shí)現(xiàn)輸出端功率匹配。

　　2　低噪聲放大器的版圖及后仿真結(jié)果

　　本次設(shè)計(jì)的低噪聲放大器版圖如圖3所示,芯片面積約為: 735μm ×780μm。因?yàn)殡娐窞閷?duì)稱結(jié)構(gòu),所以在版圖的繪制上也需注意對(duì)稱性,這樣有利于提高電路性能。芯片左側(cè)為SGS焊盤,用來接入差分輸入信號(hào)。芯片右側(cè)為SGS焊盤,用來接差分輸出信號(hào)。芯片上下端各為三針直流焊盤,用來提供增益控制信號(hào)Vc1、Vc2 ,對(duì)稱的電源Vdd以及對(duì)稱的地Gnd。在焊盤組間空隙處,增加了電源Vdd到地Gnd的濾波電容組濾除電源Vdd上的紋波,旁路外界干擾,這種結(jié)構(gòu)可以在最大利用版圖面積的同時(shí)進(jìn)一步提高了電路性能。

圖3　低噪聲放大器版圖

　　在Cadence Spectre仿真環(huán)境下對(duì)電路的S 參數(shù),噪聲系數(shù)NF以及穩(wěn)定性系數(shù)KF進(jìn)行了后仿真,后仿真在TT工藝角,溫度為27 ℃情況下進(jìn)行。

　　電路在1. 2 V電源電壓下工作電流約為6. 0 mA。

　　S11后仿真結(jié)果如圖4 所示,高增益時(shí)S11約為- 29. 8 dB,中增益時(shí)S11約為- 17. 7 dB,低增益時(shí)S11約為- 16. 3 dB。三種情況下S11均滿足小于- 10 dB,輸入匹配良好。

圖4　S11仿真結(jié)果

　　S21后仿真結(jié)果如圖5 所示,高增益時(shí)S21約為21. 2 dB,中增益時(shí)S21約為11. 0 dB,低增益時(shí)S11約為2. 8 dB。基本滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中的高增益20 dB,中增益10 dB,低增益0 dB要求。

圖5　S21仿真結(jié)果

　　S22后仿真結(jié)果如圖6 所示,高增益時(shí)S22約為- 20. 7 dB,中增益時(shí)S22約為- 10 dB,低增益時(shí)S22約為- 10 dB。三種情況下S22均滿足小于- 10 dB,輸出匹配良好。

圖6　S22仿真結(jié)果

　　噪聲系數(shù)如圖7所示。在2. 43 GHz上,后仿真噪聲系數(shù)NF約為0. 49 dB,與最小噪聲系數(shù)NFmin后仿真結(jié)果0. 46 dB比較接近,噪聲匹配良好。

圖7　噪聲系數(shù)NF仿真結(jié)果

　　輸入1 dB壓縮點(diǎn)如圖8所示,在高增益下約為- 20. 2 dBm,根據(jù)1 dB壓縮點(diǎn)與IIP3的關(guān)系,可以推出,該放大器IIP3約為- 10. 6 dBm。

圖8　低噪聲放大器輸出1 dB壓縮點(diǎn)仿真結(jié)果

　　其它后仿真結(jié)果:反向隔離度S12在三種增益狀態(tài)下均小于- 45 dB;穩(wěn)定度KF約為6. 2,其值遠(yuǎn)大于1,放大器絕對(duì)穩(wěn)定。

　　3　總結(jié)

　　本次設(shè)計(jì)的低噪聲放大器芯片在限定功耗的基礎(chǔ)上,保證了較高的增益,同時(shí)進(jìn)行了輸入匹配的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了給定功耗條件下的功率和噪聲同時(shí)匹配。

　　該低噪聲放大器在最高增益為21 dB時(shí)噪聲系數(shù)約為0. 5 dB,并且通過放大器S11、S22參數(shù)反應(yīng)出其輸入輸出阻抗功率匹配性能良好。放大器增益控制電路滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述,該低噪聲放大器性能優(yōu)良,實(shí)現(xiàn)后有望應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)射頻收發(fā)芯片中。