寬帶射頻通信系統(tǒng)是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一，它具有更高的集成度和更小的功耗。寬帶低噪聲放大器(LNA)作為寬帶接收系統(tǒng)的第一級(jí)，對(duì)寬帶接收系統(tǒng)的整體性能起著重要的作用。寬帶LNA常常采用LC濾波器進(jìn)行寬帶阻抗匹配，但對(duì)于頻率較低的射頻頻段而言，采用LC濾波器需要引入很多的高品質(zhì)電感，這將給設(shè)計(jì)帶來(lái)很多困難。所以這些頻段的寬帶LNA設(shè)計(jì)通常采用其他結(jié)構(gòu)，并使用如噪聲抵消技術(shù)等噪聲優(yōu)化方法來(lái)改善噪聲性能。

    UHF RFID常見(jiàn)的工作頻段有2.4 GHz、860 MHz~960 MHz以及433 MHz等。相比于2.4 GHz頻段，860 MHz~960 MHz和433 MHz頻段通常具有更遠(yuǎn)的通信距離，這些頻段在一些中遠(yuǎn)距離的識(shí)別和傳輸中有著較為廣泛的應(yīng)用。本文面向860 MHz~960 MHz、433 MHz等頻段的RFID應(yīng)用設(shè)計(jì)了一種CMOS寬帶LNA，設(shè)計(jì)中采用了噪聲抵消技術(shù)和局部有源反饋結(jié)構(gòu)，并引入了電感補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高增益、低噪聲并具有很好的增益平坦度的CMOS寬帶低噪聲放大器。
1 寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)
1.1 并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)
    并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的放大器是一種常見(jiàn)的寬帶低噪聲放大器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以在較寬的頻帶內(nèi)保持較好的阻抗匹配。并聯(lián)負(fù)反饋通常有兩類(lèi)實(shí)現(xiàn)方式：一類(lèi)是通過(guò)電阻實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，這類(lèi)電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，面積開(kāi)銷(xiāo)較小，雖然其噪聲性能較差，但在一些寬帶電路中仍有所應(yīng)用[1]；另一類(lèi)電路通常采用源跟隨器進(jìn)行有源負(fù)反饋，這種結(jié)構(gòu)阻抗匹配自由度更高，噪聲性能較好，是寬帶LNA設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)電路結(jié)構(gòu)[2]。圖1為這兩種并聯(lián)負(fù)反饋電路的示意圖。

1.2 噪聲抵消技術(shù)
    許多寬帶匹配技術(shù)是通過(guò)輸入級(jí)晶體管的跨導(dǎo)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的，這限制了匹配級(jí)的跨導(dǎo)，導(dǎo)致這類(lèi)電路的噪聲性能受到限制。噪聲抵消技術(shù)能夠有效改善這類(lèi)電路的噪聲性能。圖2所示為常見(jiàn)的噪聲抵消電路結(jié)構(gòu)[3-4]。圖中，M1都是匹配級(jí)晶體管，它們的輸入阻抗都可以近似表示為Rin=1/gm(gm為跨導(dǎo))；M2構(gòu)成了噪聲抵消級(jí)，它將M1在輸入端所產(chǎn)生的噪聲和輸入信號(hào)一起放大，在輸出端獲得可以與匹配級(jí)輸出信號(hào)相加的信號(hào)以及與匹配級(jí)輸出噪聲相抵消的噪聲。通過(guò)調(diào)整M2的放大倍數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)M1噪聲的完全抵消，使電路的主要噪聲由跨導(dǎo)較大的M2決定，能夠大幅降低電路的噪聲系數(shù)。

NMOS和PMOS構(gòu)成電路復(fù)用結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以提高電流的利用效率，降低電路的功耗。并聯(lián)負(fù)反饋從共源共柵電路的M2(M2n和M2p)和M3的中間引出，構(gòu)成局部反饋，可以在一定程度上改善電路的阻抗匹配，并提高設(shè)計(jì)的自由度。電路中還引入了柵極電感Lg，以補(bǔ)償高頻增益的衰減。輸出端通過(guò)Buffer將輸出阻抗匹配至50 Ω。
    在低頻下，忽略寄生電容以及電感的作用，該電路的輸入阻抗可以表示為：
  
  

2 電路的仿真結(jié)果及分析
2.1 電路的前仿真結(jié)果及參數(shù)分析
    電路的設(shè)計(jì)與前仿真使用Cadence軟件，采用UMC 0.18 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)電路的調(diào)試與仿真，驗(yàn)證了上一節(jié)中對(duì)電路各項(xiàng)參數(shù)的分析。在1.8 V的供電電壓下，電路中LNA的直流電流約為5.25 mA，功耗約為9.45 mW。在保持主要晶體管過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓基本不變的情況下，將電壓降至1 V，電路中LNA的功耗約為4.25 mW。圖4為電路主要參數(shù)的前仿真結(jié)果，其中對(duì)有無(wú)Lg的情況和不同供電電壓下的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。
    圖4(a)中的增益(S21)曲線顯示，在1.8 V的供電電壓下，沒(méi)有Lg時(shí)，其增益在300 MHz附近達(dá)到最高點(diǎn)，之后便隨著頻率的增加呈明顯的下降趨勢(shì)。而增加Lg后電路的高頻增益明顯提高，電路在通頻帶內(nèi)具有比較平坦的增益，同時(shí)也提高了電路的帶寬，這與上一節(jié)中的分析結(jié)果一致。在前仿真中，1.8 V供電電壓下，電路的最大增益約為23 dB，若考慮Buffer帶來(lái)的6 dB衰減， 則LNA的增益可以達(dá)到29 dB，3 dB頻帶范圍約為0.1 GHz~1.7 GHz，其中0.2 GHz~1.4 GHz范圍內(nèi)增益較為平坦。而在1 V供電電壓下，電路的最大增益降至19 dB，下降約4 dB。

    圖4(a)中的噪聲曲線表明，Lg的引入還可以改善電路的高頻噪聲。1.8 V供電電壓下，相比于無(wú)Lg的情況，增加Lg后3 dB帶寬內(nèi)的最小噪聲由2.1 dB降至約1.3 dB。根據(jù)前仿真結(jié)果，電源電壓1.8 V時(shí)，電路在3 dB帶寬內(nèi)的噪聲約為1.4 dB~4 dB，其中433 MHz處的噪聲約為2.2 dB，860 MHz~960 MHz范圍內(nèi)的噪聲約為1.5 dB~1.6 dB；當(dāng)電壓降至1 V后，噪聲增加了約0.5 dB~1 dB，3 dB帶寬內(nèi)的噪聲系數(shù)約為1.8 dB~5 dB，其中433 MHz處的噪聲約為2.8 dB，860 MHz~960 MHz范圍內(nèi)的噪聲約為1.9 dB~2.1 dB。可以看出，在低電壓供電的情況下，電路仍能表現(xiàn)出較好的噪聲性能，說(shuō)明該電路也可以用于低功耗、低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。
    從圖4(b)中可以看出，Lg的引入會(huì)造成高頻阻抗匹配明顯變差，這一影響也與上一節(jié)中的分析相一致。這就使高頻阻抗匹配與高頻增益產(chǎn)生了矛盾，設(shè)計(jì)時(shí)需要在增益、帶寬與輸入匹配之間進(jìn)行折衷，本設(shè)計(jì)中選擇犧牲一定的高頻阻抗匹配來(lái)獲得較好的增益和噪聲性能。從圖4(b)中還可以看到，低電壓下低頻阻抗匹配有所下降，這是因?yàn)榻档碗娫措妷汉?，電路的工作點(diǎn)有小幅的偏移，各晶體管的gm有一定的變化，導(dǎo)致低頻輸入阻抗有所變化。
2.2 電路的版圖及后仿真結(jié)果
    本設(shè)計(jì)中的LNA采用UMC 0.18 μm工藝設(shè)計(jì)，版圖面積為0.67 mm×0.61 mm。使用Calibre軟件提取版圖中的寄生電阻、電容以及電感等參數(shù)，然后使用Spectre仿真器完成后仿真，后仿真的結(jié)果如圖5所示。由于版圖中存在寄生效應(yīng)，后仿真結(jié)果明顯下降。其中，寄生電容對(duì)電路性能的影響較大。布線帶來(lái)的寄生電容使得電路的總電容明顯增加，導(dǎo)致電路的高頻增益下降更快，為了補(bǔ)償這部分寄生電容的影響，后仿真時(shí)Lg的取值比前仿真稍大。

    電路的后仿真結(jié)果顯示，在1.8 V電壓下，最大增益下降至22 dB左右，3 dB頻帶范圍約為0.1 GHz~1.35 GHz，其中0.2 GHz~1.2 GHz范圍內(nèi)的增益比較平坦，增益和帶寬相比于前仿真都有所下降；電路的噪聲系數(shù)在后仿真中也有明顯的上升，3 dB帶寬內(nèi)的噪聲系數(shù)約為1.7 dB~5 dB，其中433 MHz處的噪聲約為2.5 dB，860 MHz~960 MHz范圍內(nèi)的噪聲約為1.75 dB~1.85 dB。而在1 V電壓下，最大增益下降至18.3 dB左右，3 dB帶寬內(nèi)的噪聲系數(shù)約為2.1 dB~5.7 dB，其中433 MHz處的噪聲約為3.1 dB，860 MHz~960 MHz范圍內(nèi)的噪聲約為2.15 dB~2.25 dB。后仿真結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)電路具有較高的增益和較好的寬帶噪聲性能，并且在低電壓下也能表現(xiàn)出很好的性能。
    本文設(shè)計(jì)的CMOS寬帶低噪聲放大器采用了噪聲抵消技術(shù)和局部有源反饋結(jié)構(gòu)，并且引入了電感補(bǔ)償。該電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是噪聲低，增益高，通帶內(nèi)增益平坦，且該電路在低電壓下工作時(shí)同樣具有較高的增益和較低的噪聲，可以應(yīng)用于低功耗寬帶LNA電路。設(shè)計(jì)采用UMC 0.18 μm工藝，根據(jù)后仿真結(jié)果，電路在1.8 V和1 V的供電電壓下均能表現(xiàn)出較好的增益、帶寬和噪聲性能。本文所設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)可以滿(mǎn)足多頻段的RFID應(yīng)用需求，并且為寬帶低噪聲放大器的低功耗設(shè)計(jì)提供了參考。
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