一款增益可調(diào)且平坦的超寬帶低噪聲放大器*

陳吉添,張萬榮,金冬月,謝紅云,杜成孝,黃 鑫,劉亞澤,劉 碩,趙馨儀

(北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院,北京 100124)

一款增益可調(diào)且平坦的超寬帶低噪聲放大器*

陳吉添,張萬榮*,金冬月,謝紅云,杜成孝,黃 鑫,劉亞澤,劉 碩,趙馨儀

(北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院,北京 100124)

設(shè)計了一款增益可調(diào)且平坦的超寬帶低噪聲放大器(FTG UWB-LNA)。輸入級采用具有新型偏置電路和RLC反饋的共基-共射放大器;輸出級采用電流鏡偏置的共集放大器;放大級采用新型有源電感與達林頓結(jié)構(gòu)構(gòu)成的組合電路。實現(xiàn)了增益的可調(diào)且平坦以及寬帶輸入輸出匹配?；赪IN 0.2 μm GaAs HBT工藝庫,對FTG UWB-LNA進行驗證,結(jié)果表明:在1 GHz～6 GHz頻帶內(nèi),增益S21可以在21.16 dB～23.9 dB之間調(diào)諧,最佳增益平坦度達到±0.65 dB;S11小于-10 dB;S22小于-12 dB;FN小于4.08 dB;在4 V的工作電壓下,靜態(tài)功耗小于33 mW。

低噪聲放大器;增益可調(diào)且平坦;有源電感;超寬帶

超寬帶低噪聲放大器UWB-LNA(Ultra-Wideband Low Noise Amplifier)作為RF前端接收機的關(guān)鍵模塊,對整個接收機系統(tǒng)的靈敏度和動態(tài)范圍有著重要的影響[1-5]。為了提高接收機系統(tǒng)的性能,需要UWB-LNA具有較高且平坦的增益,可調(diào)節(jié)的增益以及在寬帶內(nèi)良好的輸入輸出匹配,低的噪聲等性能[6-9]。文獻[10]報道了一款UWB-LNA,它采用并聯(lián)電阻反饋cascode放大模塊和有源電感,使增益在頻率1 GHz～5 GHz內(nèi)的平坦度(增益平坦度是指在給定帶寬范圍內(nèi)的增益“劇烈增加”和“快速下降”的數(shù)值,數(shù)值越小增益越平坦)達到了±0.25 dB,但是所采用有源電感的結(jié)構(gòu)比較簡單,沒能實現(xiàn)對增益的調(diào)節(jié)。文獻[11]設(shè)計的UWB-LNA,利用電流鏡控制和電流復用技術(shù)的放大模塊,實現(xiàn)了寬帶增益調(diào)節(jié)輸出,在頻率為2 GHz時,增益從7到13 dB進行調(diào)節(jié),但該技術(shù)方案不能針對平坦度進行優(yōu)化,在0.47 GHz～3 GHz內(nèi)平坦度為±1.15 dB。另一方面,在寬帶內(nèi)的增益大小也與平坦度相互制約。文獻[12]報道的UWB-LNA,利用2個cascode放大器級聯(lián)實現(xiàn)的帶寬增益達到20 dB以上,但以犧牲增益的平坦度為代價,平坦度僅為±5 dB,且輸出匹配較差。文獻[13]研究的UWB-LNA,采用跨導增強技術(shù)和有源電感作輸入匹配,實現(xiàn)了良好的輸入匹配,且在3.1 GHz～10.6 GHz內(nèi)增益平坦度為±0.7 dB,但最大增益不到13 dB。為了實現(xiàn)增益的可調(diào)、寬帶內(nèi)增益平坦以及增益的提升,本文提出了采用新型有源電感的增益可調(diào)且平坦的超寬帶低噪聲放大器(FTG UWB-LNA)。

FTG UWB-LNA采用輸入級、放大級和輸出級3級電路設(shè)計,工作在1 GHz～6 GHz,涵蓋了IEEE802.11a/b/g/n/ac無線標準的工作頻帶。論文安排如下:首先從原理上對FTG UWB-LNA電路設(shè)計進行分析,包括輸入級的設(shè)計,放大級的設(shè)計和輸出級的設(shè)計。接著基于WIN 0.2 μm GaAs HBT工藝,對有源電感以及基于有源電感的FTG UWB-LNA進行性能驗證,并與近幾年的UWB-LNA文獻進行對比,最后得出結(jié)論。

圖1 FTG UWB-LNA的電路原理圖

1 FTG UWB-LNA電路的設(shè)計

圖1為FTG UWB-LNA的電路原理圖。它主要包括輸入級、放大級以及輸出級3個部分。輸入級是由晶體管Q1和Q2、電感L1、電阻RT和R1、電容C1以及電流鏡偏置bias1、新型偏置bias2組成,實現(xiàn)寬帶輸入匹配;放大級,一方面采用由晶體管Q3和Q4構(gòu)成的達林頓結(jié)構(gòu)來提高增益,另一方面,采用由電阻R2和有源電感AI(LAI)組成的負載電路,來實現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)和增益的平坦化;輸出級由電流鏡偏置bias3、晶體管Q5和電阻R4構(gòu)成,實現(xiàn)寬帶輸出匹配。

1.1 FTG UWB-LNA輸入級的設(shè)計

圖2(a)和圖2(b)分別為FTG UWB-LNA的輸入級電路圖及其等效小信號電路圖。輸入級中電感L1,電阻RT以及電容C1構(gòu)成RLC串并聯(lián)反饋網(wǎng)絡(luò),由晶體管Q1和Q2組成的共基-共射放大器和負載R1相連,bias1連接晶體管Q1的基極,新型偏置bias2連接晶體管Q2的基極。Cbe1、Cbe2分別為晶體管Q1、Q2的基極與發(fā)射極之間的結(jié)電容,Rbe1、Rbe2分別為晶體管Q1、Q2的基極與發(fā)射極之間的等效電阻,gm1、gm2分別為晶體管Q1、Q2的跨導。

圖2 FTG UWB-LNA的輸入級電路圖及其等效小信號電路圖

根據(jù)圖2(b)的小信號電路圖,輸入阻抗可表示為:

(1)

為了實現(xiàn)良好的寬帶輸入阻抗匹配,需要滿足下列條件:

(2)

Rbe1≈50Ω

(3)

此外,由于晶體管Q2結(jié)電容Cbe2的存在,隨著頻率的不斷提高,電阻分壓使晶體管Q2的基極電壓不穩(wěn)定進而導致放大器性能下降,因此,除了滿足式(2)～式(3)所示的輸入阻抗匹配條件外,還需要為晶體管Q2提供穩(wěn)定的基極偏置。為了實現(xiàn)輸入阻抗的匹配以及基極偏置電壓的穩(wěn)定,輸入級采用了電流鏡偏置bias1和新型偏置bias2。

圖3為輸入級電流鏡偏置bias1原理圖。在R5遠大于R6和R7下,通過對圖3的電路分析,可以得到Rbe1的表達式:

(4)

通過合理設(shè)計R5,R6以及R7,可以便利地實現(xiàn)Rbe1=50Ω,滿足輸入阻抗匹配條件。

留給ofo的時間已經(jīng)不多。11月14日，久未露面的戴威在已經(jīng)很久沒有舉行的ofo公司大會上表示：除了破產(chǎn)，其他都有可能。

圖3 輸入級電流鏡偏置bias1原理圖

圖4為輸入級新型偏置bias2原理圖。圖4中R8,R9,R10為晶體管Q12和Q13提供開啟電壓。晶體管Q12的發(fā)射極與晶體管Q13的集電極相連,使Vbias2鉗位在晶體管Q12基極電壓和Q13基極電壓之差,使晶體管Q2的基極電壓穩(wěn)定,減小晶體管Q2的結(jié)電容Cbe2帶來的影響。從圖4可以得到Vbias2:

(5)

圖4 輸入級新型偏置bias2原理圖

1.2 FTG UWB-LNA放大級的設(shè)計

圖5為FTGUWB-LNA的放大級電路圖。晶體管Q3和晶體管Q4構(gòu)成了達林頓結(jié)構(gòu),電阻R2和有源電感AI作為負載。信號經(jīng)過晶體管Q3和Q4兩級放大能夠獲得比單管更高的增益。此外,由于引入了有源電感,放大級的負載可以表示為R2+jωLAI。一方面,通過調(diào)節(jié)LAI,補償放大器增益在高頻時的衰減,使增益平坦,另一方面,通過調(diào)諧LAI的電感值,可以實現(xiàn)在工作帶寬內(nèi)放大器增益的調(diào)節(jié)。下面我們對新型有源電感(LAI)的調(diào)諧機理進行詳細分析。

圖5 FTG UWB-LNA的放大級電路圖

圖6為FTGUWB-LNA的基于回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)和負反饋回路的新型有源電感。

圖6 基于回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)和負反饋回路的新型有源電感

圖6中,晶體管Q6與Q7連接構(gòu)成負跨導器,Q10作為正跨導器,Rf為反饋電阻,正負跨導器與反饋電阻連接構(gòu)成了帶有電阻反饋的回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)有源電感。電容Ct由1個反偏肖特基二極管構(gòu)成。晶體管Q6,Q8和Q9構(gòu)成1個負反饋回路。電容C3為隔直電容,I2、I3為可調(diào)電流源,V1、Vb為偏置電壓。

圖7為新型有源電感小信號電路圖。圖7中電容Cbe6～Cbe8和Cbe10分別為晶體管Q6～Q8和Q10的基極與發(fā)射極之間的結(jié)電容,Cbe10作為回轉(zhuǎn)電容。圖7中Rbe6～Rbe10分別為晶體管Q6～Q10的基極與發(fā)射極之間的等效電阻。圖7中Ro7為晶體管Q7的集電極與發(fā)射極之間的等效電阻。gm6～gm10分別為晶體管Q6～Q10的跨導。

根據(jù)圖7小信號電路圖,可以得到有源電感輸入導納Yin的表達式為:

(6)

圖7 新型有源電感的等效小信號電路圖

根據(jù)小信號電路圖推導出的導納公式(6),可以將小信號電路簡化為如圖8所示的RLC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

圖8 新型有源電感的等效的RLC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

圖8中:

CP=Cbe6

(7)

(8)

(9)

(10)

ωZ=RS/LS

(11)

(12)

由式(8)、式(10)看出,晶體管Q6,Q8和Q9構(gòu)成的負反饋回路增大了GP,進而可提高極點頻率ωp,晶體管Q6,Q7構(gòu)成的共基-共射結(jié)構(gòu)減小了Rs,進而可降低零點頻率ωZ,因此ωp的增大和ωZ的降低,可實現(xiàn)有源電感工作帶寬的擴展。由式(9)可以看到,電容Ct和電阻Rf的引入,增大了電感值LS。此外,調(diào)節(jié)I2可改變跨導gm6和gm7,能夠使LS,GP及RS改變,進而實現(xiàn)對電感值LAI的調(diào)節(jié)和工作帶寬的擴展,調(diào)節(jié)I3可改變跨導gm8,能使GP改變,進而也能實現(xiàn)電感值LAI的調(diào)節(jié)和工作帶寬的擴展。盡管可以通過單個調(diào)節(jié)來改變電感值,但往往可調(diào)范圍較小,因此,為了實現(xiàn)LNA的增益可調(diào)和增益在工作帶寬內(nèi)的平坦,可以通過聯(lián)合調(diào)節(jié)有源電感的各偏置來完成。

1.3 FTG UWB-LNA輸出級的設(shè)計

圖9(a)和圖9(b)分別為FTGUWB-LNA的輸出級電路圖及其等效小信號電路圖。

圖9 FTG UWB-LNA的輸出級電路圖及其等效小信號電路圖

圖9中,電容C2為隔直電容,電流鏡偏置bias3為晶體管Q5提供基極偏置,R4為并聯(lián)電阻。Cbe5為晶體管Q5的基極與發(fā)射極之間的結(jié)電容,Rbe5為晶體管Q5的基極與發(fā)射極之間的等效電阻,gm5為晶體管Q5的跨導。

通過圖9(b)的小信號電路圖,可以得到輸出阻抗Zout:

(13)

在頻率較低時,輸出級的輸出阻抗可以等效為電阻1/gm5和電阻R4的并聯(lián)。為了實現(xiàn)良好的輸出阻抗匹配,Zout需要匹配到50Ω。因此引入電流鏡偏置bias3作為晶體管Q5的基極偏置來調(diào)節(jié)gm5,實現(xiàn)良好的輸出阻抗匹配。

根據(jù)圖9(a)中的bias3電路結(jié)構(gòu),可以求出跨導gm5的表達式如下:

(14)

通過合理設(shè)計R11,R12以及R13,可以滿足Zout匹配到50Ω。

2 FTG UWB-LNA的性能驗證和結(jié)果分析

基于WIN0.2μumGaAsHBT工藝庫,利用安捷倫公司的AdvancedDesignSystem對FTGUWB-LNA進行性能驗證。

圖10為不同的聯(lián)合偏置下的有源電感的性能驗證結(jié)果。從圖10可以看出在1GHz～6GHz內(nèi),通過聯(lián)合調(diào)節(jié)I2和I3實現(xiàn)對電感值的調(diào)諧,最大電感值調(diào)節(jié)范圍大小為5.02nH。

圖10 不同的聯(lián)合偏置下的有源電感的電感值

圖11與圖12分別為不同的聯(lián)合偏置下電路增益S21與噪聲系數(shù)FN,輸入反射系數(shù)S11與輸出反射系數(shù)S22的性能驗證結(jié)果。在1GHz到6GHz的工作頻帶內(nèi),S21均高于20dB。在聯(lián)合偏置調(diào)節(jié)的情況下,S21平坦度達到±0.65dB。在3.9GHz時,S21可以在21.16dB～23.9dB之間調(diào)諧(2.74dB)。同時FN為小于4.08dB,S22小于-12dB,S11小于-10dB。

圖11 不同的聯(lián)合偏置下電路增益S21和噪聲系數(shù)FN

圖12 不同的聯(lián)合偏置下電路的S11和S22

表1是本設(shè)計的FTGUWB-LNA與近幾年已報道的超寬帶LNA的性能對比。在1GHz～6GHz工作范圍內(nèi),FTGUWB-LNA的增益(S21)大于20dB且可在21.16dB～23.9dB之間調(diào)諧,增益平坦度達到±0.65dB,輸入反射系數(shù)(S11)小于-10dB和輸出反射系數(shù)(S22)小于-12dB。在增益方面,優(yōu)于文獻[10]的12.5dB和文獻[13]的12.1dB且本文增益可調(diào)諧;在增益平坦度方面,優(yōu)于文獻[11]的±1.15dB、文獻[12]的±5dB以及文獻[13]的±0.7dB;在輸入匹配方面,優(yōu)于文獻[10]的-8dB和文獻[13]的-9.5dB;在輸出匹配方面,優(yōu)于文獻[12]的-5dB。本文LNA這些性能的取得,得益于在放大級采用了可雙重調(diào)節(jié)的新型有源電感和達林頓結(jié)構(gòu),一方面實現(xiàn)了有源電感電感值的大范圍調(diào)節(jié),進而實現(xiàn)了增益的寬范圍調(diào)節(jié),而且補償了在高頻下增益的下降,實現(xiàn)了增益的平坦。另一方面,提高了放大器的增益;在輸入級采用了RLC的串并聯(lián)反饋網(wǎng)絡(luò)和新型偏置,以及在輸出級采用了電阻并聯(lián)和電流鏡偏置的共集放大器,實現(xiàn)了良好的輸入輸出匹配。本文增益和增益的調(diào)節(jié)方法,在取得了較高增益的同時,也實現(xiàn)了增益的寬范圍調(diào)節(jié),且具有較好的增益平坦度,解決了增益的可調(diào)性、平坦度和大小三者之間相互制約的矛盾,為優(yōu)化UWB-LNA增益的設(shè)計提供了更多的選擇自由度。

表1 本文所提出FTG UWB-LNA與近幾年已報道的超寬帶LNA的性能參數(shù)比較

注:N/A表示未知。

3 結(jié)論

基于WIN 0.2 μm GaAs HBT工藝,設(shè)計了一款采用有源電感的增益可調(diào)且平坦的超寬帶低噪聲放大器(FTG UWB-LNA)。該FTG UWB-LNA,通過采用新型偏置電路和RLC反饋構(gòu)成的共基-共射放大器作為輸入級,采用電阻并聯(lián)和電流鏡偏置的共集放大器作為輸出級,分別實現(xiàn)LNA良好的輸入輸出匹配。另一方面,FTG UWB-LNA采用新型有源電感和達林頓結(jié)構(gòu)構(gòu)成的組合電路作為放大級,實現(xiàn)了LNA增益在工作帶寬內(nèi)平坦,且可調(diào)以及提高。驗證結(jié)果表明,FTG UWB-LNA,在1 GHz～6 GHz頻帶內(nèi),增益(S21)可以在21.16 dB～23.9 dB之間調(diào)諧;最優(yōu)增益平坦度達到±0.65 dB;輸入回波損耗(S11)小于-10 dB;輸出回波損耗(S22)小于-12 dB;噪聲系數(shù)(FN)小于4.08 dB;在4 V的工作電壓下,靜態(tài)功耗小于33 mW。

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An Ultra-Wideband Low Noise Amplifier with Tunable and Flat Gain*

CHENJitian,ZHANGWanrong*,JINDongyue,XIEHongyun,DUChengxiao,HUANGXin,LIUYaze,LIUShuo,ZHAOXinyi

(College of Electronic Information and Control Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

An ultra-wideband low noise amplifier with flat and tunable gain(FTG UWB-LNA)is presented. The common base cascode amplifier with RLC feedback and a novel biasing circuit was used at the input stage;the output stage uses a common-collector amplifier with parallel resistor and current mirror bias;the amplifier stage employs a combinational circuit consisting of a new active inductor load and the Darlington circuit to realize tunable and flat gain and achieve good wideband input and output impedance matching. The FTG UWB-LNA is designed in the standard WIN 0.2 μm GaAs HBT process. The gainS21can be tuned between 21.16 dB and 23.9 dB,the optimal gain flatness can be up to ±0.65 dB within a range of 1 GHz～6 GHz frequencies;theS11is better than -10 dB;theS22is better than -12 dB;theFNis less than 4.08 dB. The static power consumption is less than 33 mW under the operation voltage of 4 V.

LNA;tunable and flat gain;active inductor;UWB

項目來源:國家自然科學基金項目(61574010);北京市自然科學基金項目(4142007,4143059);北京市未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心科研基金項目(KYJJ2016008)

2016-03-28 修改日期:2016-05-25

C:1220

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.013

TN722.3

A

1005-9490(2017)02-0326-07