基于諧波抑制技術(shù)的高線性CMOS LNA

楊 璐 陶 波

（西安通信學(xué)院，西安 710106）

基于諧波抑制技術(shù)的高線性CMOS LNA

楊 璐 陶 波

（西安通信學(xué)院，西安 710106）

基于0.1 8 μm C MOS工藝，設(shè)計了一種差分低噪聲放大器（L NA）。為了改善該放大器的線性度，提出了一種諧波抑制技術(shù)。該技術(shù)在增益級采用RC反饋網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)的應(yīng)用可將共柵晶體管漏極的三階諧波分量反饋回共柵晶體管源級，以抑制L NA輸出端口三階諧波分量的產(chǎn)生。電路仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的L NA相比，改進后的L NA的輸入三階交調(diào)點I I P 3提高了約4 d B，驗證了該技術(shù)的實用性和可行性。

差分，反饋，諧波抑制，高線性

隨著無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，低噪聲放大器（LNA）的用途越來越廣泛，而且，由于CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝相較于其它工藝具有低功耗及易集成等特點，采用CMOS工藝設(shè)計LNA已經(jīng)逐漸成為趨勢[1～3]。然而，CMOS工藝在射頻放大器設(shè)計中的應(yīng)用，也面臨諸多挑戰(zhàn)，例如，鑒于在CMOS工藝中，不存在通孔，因此，由鍵合線寄生電感引起的增益退化效應(yīng)更加明顯。此外，相對于化合物半導(dǎo)體而言，CMOS器件的線性度較差，這對于高線性CMOS放大器的設(shè)計提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。幸運的是，由寄生電感效應(yīng)引起的增益退化問題可通過采用差分電路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生虛擬節(jié)點的方式解決，但為了設(shè)計性能指標(biāo)較優(yōu)的CMOS放大器，針對CMOS器件線性度較差的問題，仍需要持續(xù)地探索合理的解決方法。本文提出了一種在增益級采用反饋網(wǎng)絡(luò)的諧波抑制技術(shù)，以提高CMOS LNA的線性度。

1 理論分析

為了提高LNA的線性度，需要抑制放大器節(jié)點處的諧波分量。對于差分放大器中的二階諧波分量，得益于電路差分結(jié)構(gòu)的特點，二階諧波分量可以得到有效的抑制，因而，對于基于CMOS工藝的差分電路結(jié)構(gòu)而言，本文主要對三階諧波分量進行分析研究。圖1所示為傳統(tǒng)CMOS放大器的電路圖，圖中的節(jié)點電壓可用以下表達(dá)式進行表示：

圖1 傳統(tǒng)的差分放大器

式（1）中，假設(shè)放大器是全差分的，因此，不存在偶次階諧波分量。由式（1）可得，VC,OUT（t）的三階諧波分量為：

通常，為了保證放大器的線性操作狀態(tài)，會使α1A+（3α3A3）/4和β1分別大于（3α3A3）/4和β3，因此，式（2）可簡寫為：

為了抑制式（3）中的三階諧波，本文提出了一種采用反饋網(wǎng)絡(luò)的諧波抑制技術(shù)，圖2所示為所提出的諧波抑制技術(shù)的概念原理圖。如圖2（a）所示，在共柵晶體管的源級和漏極間引入傳輸函數(shù)為H（ω）的反饋網(wǎng)絡(luò)，此圖中，經(jīng)過計算，輸出端口信號VP,OUT（t）的三階諧波分量表示為：

這里，假設(shè)對于基波頻率的H（ω）幅度為零，并且β1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于β3。由式（4）可見，為了確保VP,OUT（t）的三階諧波分量低于VC,OUT（t）的三階諧波分量，式（4）中的（1-β1H）項一定要高于β1。同理，對于三階諧波分量的H（ω）幅度的極性必須為負(fù)。為了在不額外增加電路的情況下，實現(xiàn)H（ω）的負(fù)極性，將圖2（a）的電路重新修正為圖2（b）所示的電路，圖2（b）中，H（ω）交叉耦合相連接，可以很容易地保證H（ω）的負(fù)極性，因而實現(xiàn)抑制差分放大器輸出端口三階諧波分量的目的，進而提高電路的線性度。

圖2 本文提出的諧波注入技術(shù)

2 電路設(shè)計與仿真

為了驗證所提出的諧波抑制技術(shù)的可行性與有效性，基于臺灣積體電路制造股份有限公司（TSMC）0.18μm CMOS工藝設(shè)計了一款5.2GHz的LNA，圖3所示即為本文所提出LNA的簡化電路圖，圖中未給出偏置電路。LNA的第一級電路采用基于電感源級退化結(jié)構(gòu)的噪聲匹配技術(shù)，第二級采用諧波抑制技術(shù)，電阻RF和電容CF構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)組成電路的反饋環(huán)路，RF的大小直接決定了反饋信號的強弱，同時，CF也起到隔直的作用。

圖3 本文提出的LNA簡化電路圖

仿真得到的S參數(shù)如圖4所示。由圖可見，在工作頻率5.2GHz處，輸入反射系數(shù)S11和輸出反射系數(shù)S22分別為-29.9dB和-23.5dB，增益S21為14.6dB，隔離度S12為-43.3dB。仿真得到的噪聲系數(shù)如圖5所示，由圖可見，在5.2GHz的工作頻率處，噪聲系數(shù)低至1.01dB，同時，仿真得到輸入三階交調(diào)點IIP3高達(dá)5dBm，與傳統(tǒng)的LNA相比，輸入三階交調(diào)點IIP3提高了約4dB。

圖4 （a） S11、S22仿真結(jié)果 圖4（b） S12、S21仿真結(jié)果

圖5 噪聲系數(shù)NF仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

綜上所述，本文提出了一種采用RC反饋網(wǎng)絡(luò)的諧波抑制技術(shù)，以用于差分CMOS LNA的設(shè)計。該技術(shù)的原理為將共柵晶體管漏極處的三階諧波分量反饋回共源晶體管漏極，以抑制LNA輸出端口處三階諧波分量的產(chǎn)生。為了驗證該技術(shù)應(yīng)用于線性放大器中的有效性，本文采用相同的工藝、相同的參數(shù)分別設(shè)計了一款傳統(tǒng)的LNA和一款新型LNA，并對兩者的仿真數(shù)據(jù)進行了比較，驗證了該技術(shù)的有效性。

1 Im D, Lee O, Nam I. A TV Receiver Front-End with Linearized LNA and Current-Summing Harmonic Rejection Mixer [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2017, 64(3): 269～273

2 Souza M D, Mariano A, Taris T. Reconfigurable Inductorless Wideband CMOS LNA for Wireless Communications[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2017, 64(3): 675～685

3 Jung S J, Hong S K, Kwon O K. Low-Power Low-Noise Amplifier Using Attenuation-Adaptive Noise Control for Ultrasound Imaging Systems[J]. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 2017, 11(1):108～116

1009-8119（2017）08（1）-0060-02