2.3～2.7 GHz 雙模式低噪聲射頻接收前端全集成芯片的設(shè)計(jì)*

饒忠君 ，張志浩 ，2，章國(guó)豪 ，2

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.河源廣工大協(xié)同創(chuàng)新研究院，廣東 河源 517000）

0 引言

近年來(lái)，通信技術(shù)以驚人的速度發(fā)展，新一代移動(dòng)通信芯片將被要求支持更多的頻段和敦促顯著的頻率靈活性。低噪聲放大器在蜂窩通信、WLAN、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和WiMax 等領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用[1]。在2019 年RDCAPE 會(huì)議，BANSAL M 和JYOTI 提出了一款基于CMOS 工藝的2.4 GHz 藍(lán)牙通信的低噪聲放大器，它的噪聲系數(shù)為3.695 dB，最大增益為21.154 dB[2]。同年的IEMCON 會(huì)議，KHOSAVI H 等人發(fā)表了一個(gè)應(yīng)用于WLAN 2.4 GHz 的低噪聲放大器，該低噪聲放大器的增益為15.1 dB，噪聲系數(shù)為2.7 dB[3]。近年來(lái)，對(duì)于寬頻帶低噪放的研究也受到了廣泛的關(guān)注。例如 2020 年P(guān)ATHAKR D 等人設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在2.2～2.55 GHz 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低噪聲放大器，在工作頻段內(nèi)的噪聲系數(shù)和增益分別為3.6 dB 和24 dB[4]。但是，這些研究在實(shí)現(xiàn)高增益寬頻帶情況下獲得的噪聲系數(shù)普遍比較大。為此，本文基于GaAs pHEMT 工藝，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款寬頻帶、可滿足多種無(wú)線通信服務(wù)需求的帶旁路功能的射頻接收前端全集成芯片。在LNA模式下，該芯片在2.3～2.7 GHz 的寬頻帶范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)1.53～1.64 dB 較低的噪聲系數(shù)和18.1～19.2 dB 較高的增益性能。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 接收前端芯片整體框圖

圖1 顯示了所設(shè)計(jì)的射頻接收前端全集成芯片整體框圖，主要由單刀雙擲（SPDT）收發(fā)開(kāi)關(guān)和低噪聲放大器兩部分構(gòu)成。其中，設(shè)計(jì)的低噪聲放大器包含兩種工作模式，LNA 使能模式和旁路（Bypass）模式[5]。ANT端口為射頻信號(hào)的輸入端，OUT 端口為射頻信號(hào)輸出端。從天線端接收到的信號(hào)先經(jīng)過(guò)SPDT 開(kāi)關(guān)的RX 通道到達(dá)低噪聲放大器的輸入端。在LNA模式下，低噪聲放大器將接收到的微小信號(hào)進(jìn)行放大以供給后級(jí)電路。在Bypass模式下，輸入的高功率信號(hào)將被旁路，使得輸出信號(hào)能夠在可控范圍內(nèi)，供后級(jí)電路處理，同時(shí)提高接收系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍[6]。

圖1 射頻接收前端芯片框架圖

1.2 射頻開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

如圖2 所示，本設(shè)計(jì)的SPDT 開(kāi)關(guān)采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)[7]。根據(jù)發(fā)射及接收輸入信號(hào)不同的功率容量要求，在發(fā)射鏈路的串聯(lián)支路上堆疊了2 個(gè)開(kāi)關(guān)管（等效為M1），并聯(lián)支路上堆疊了3 個(gè)開(kāi)關(guān)管 （等效為M3）；而在接收鏈路的串聯(lián)支路上堆疊了3 個(gè)開(kāi)關(guān)管（等效為M2），并聯(lián)的支路上堆疊了2 個(gè)開(kāi)關(guān)管（等效為M4）。在TX、ANT、RX射頻端口和與之間加入隔直電容以實(shí)現(xiàn)直流電壓的懸浮[8]。當(dāng)V1 為高電平，V2 為低電平時(shí)，M1、M4 導(dǎo)通，M2、M3 關(guān)斷，此時(shí)工作于發(fā)射模式，來(lái)自PA 的大功率信號(hào)從TX 端口輸入，從ANT 端口輸出。當(dāng)V1 為低電平，V2為高電平時(shí)，M2、M3 導(dǎo)通，M1、M4 關(guān)斷，從天線接收到的信號(hào)從ANT 端口輸入，從RX 端口輸出。

圖2 非對(duì)稱SPDT 開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

1.3 LNA模式電路設(shè)計(jì)

低噪聲放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在盡量低噪聲系數(shù)的情況下提高增益[9]。如圖3 所示，為了同時(shí)獲得較低的噪聲系數(shù)和較高的增益，主放大電路采用帶源極電感負(fù)反饋的共源共柵結(jié)構(gòu)[10]。在不增加噪聲的情況下，輸入端采用源極電感Ls負(fù)反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輸入匹配，盡可能實(shí)現(xiàn)最小的噪聲和最大的增益。LNA模式的輸入阻抗Zin、輸入網(wǎng)絡(luò)等效Q 值、增益Av如下：

圖3 LNA模式原理圖

其中，C1為隔直電容，Cgs為M5 管的柵源電容，gm5為M5管的跨導(dǎo)，gm6、gmb6分別為M6 管的跨導(dǎo)和體跨導(dǎo)，r05與r06分別為M5管、M6管的輸出電阻，Ron為RX射頻開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻[11]，Rg為柵極輸入匹配電感等效寄生電阻。由式（1）可知，輸入匹配電路主要由RX 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻Ron、隔直電容C1、輸入電感Lg、源極電感Ls、M5 的柵源電容Cgs等構(gòu)成?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)輸入電感Lg與源極電感Ls的值使得輸入等效電感值與隔直電容C1，放大管M1 的寄生電容Cgs輸入等效電容值在低噪聲放大器所處的頻帶內(nèi)諧振，使得輸入阻抗的虛部近似等于零。同時(shí)在這一過(guò)程中還需要折中調(diào)節(jié)源極電感Ls的值，使得輸入阻抗的實(shí)部為50 Ω，實(shí)現(xiàn)整體阻抗的匹配[12]。作為全集成接收前端芯片，射頻開(kāi)關(guān)與低噪聲放大器是聯(lián)合設(shè)計(jì)的，因此射頻開(kāi)關(guān)也參與了低噪聲放大器的輸入匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作頻帶的輸入匹配。如圖4 所示，輸入等效電路為串聯(lián)RLC 電路，由式（2）可知輸入網(wǎng)絡(luò)等效Q 值與Ron和Rg成反比。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)盡量提高輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的Q 值并降低開(kāi)關(guān)的插入損耗，有助于提升增益并降低噪聲系數(shù)。由式（3）可知，共源共柵放大器的增益是共源極放大器增益的平方，具有高增益特性，可以實(shí)現(xiàn)更高的增益[13]。此外共源共柵結(jié)構(gòu)的等效漏源電容Cgd可以等效為共源管的柵漏電容和共柵管的柵漏電容的串聯(lián)，Miller 電容效應(yīng)較小，進(jìn)而使得輸出端對(duì)輸入端產(chǎn)生的影響較小[14]。

圖4 輸入網(wǎng)絡(luò)等效電路

1.4 Bypass模式電路設(shè)計(jì)

考慮到接收機(jī)在靠近信號(hào)源時(shí)會(huì)獲得很高的功率，同時(shí)為了提高接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍[15]，本設(shè)計(jì)增加了Bypass 電路功能。如圖5 所示，Bypass 功能主要由開(kāi)關(guān)SW1、SW2、SW3、SW4 和SW5 構(gòu)成，這些開(kāi)關(guān)根據(jù)工作模式自動(dòng)切換。在LNA模式下，開(kāi)關(guān)SW1、SW2、SW4 處于關(guān)斷狀態(tài)，開(kāi)關(guān)SW3 和SW5 處于閉合狀態(tài)。開(kāi)關(guān)SW3被設(shè)計(jì)在LNA模式下增加Bypass 通路的隔離度。在Bypass模式下，開(kāi)關(guān)SW1、SW2、SW4 處于導(dǎo)通閉合狀態(tài)，開(kāi)關(guān)SW3 和SW5 處于關(guān)斷狀態(tài)。開(kāi)關(guān)SW2 和SW4 為Bypass 主要通路，Bypass模式下的插入損耗主要由這兩個(gè)開(kāi)關(guān)管決定。開(kāi)關(guān)SW1 主要用于在Bypass模式下切斷低噪聲放大器的柵極偏置，并防止高輸入功率信號(hào)對(duì)放大管M5 的柵源極造成損壞。

圖5 Bypass模式原理圖

2 測(cè)試結(jié)果分析

圖6 給出了射頻接收前端全集成芯片的顯微鏡照片，其中黑色方框?yàn)镾PDT 開(kāi)關(guān)，灰色方框代表LNA 和Bypass 電路，白色方框代表邏輯控制電路。

圖6 全集成接收前端芯片照

圖7 描述了LNA模式下接收前端芯片的噪聲系數(shù)測(cè)試，包括SPDT TX/RX 開(kāi)關(guān)以及LNA 噪聲系數(shù)，在2.3～2.7 GHz 頻率范圍內(nèi),噪聲系數(shù)為1.53～1.64 dB。

圖7 LNA模式噪聲系數(shù)測(cè)試圖

圖8 呈現(xiàn)了LNA模式的小信號(hào)S 參數(shù)測(cè)試結(jié)果。在2.3～2.7 GHz 頻率范圍內(nèi)，LNA模式下小信號(hào)增益S21在18.1～19.2 dB 之間，反向隔離度大于-30 dB。

圖8 LNA模式S 參數(shù)測(cè)試圖

圖9 給出了Bypass模式下S 參數(shù)測(cè)試圖。在2.3～2.7 GHz，旁路整體損耗約為6～7 dB，能有效衰減輸入的高功率信號(hào)。

圖9 Bypass模式S 參數(shù)測(cè)試圖

如圖10 所示，LNA模式下，在2.5 GHz 時(shí)測(cè)試輸入P1dB 為-1.5 dBm。這表明低噪聲放大器的線性度良好。

圖10 LNA模式輸入P1dB@2.5 GHz 測(cè)試圖

本文結(jié)果與近年來(lái)發(fā)表的文獻(xiàn)對(duì)比如表1 所示，可以看出，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的芯片的噪聲系數(shù)水平明顯低于其他設(shè)計(jì)。

表1 LNA 測(cè)試結(jié)果與近年來(lái)發(fā)表文獻(xiàn)對(duì)比

3 結(jié)論

本文基于一種GaAs pHEMT 工藝，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款寬頻帶的射頻接收前端全集成芯片，具有LNA 高增益和Bypass 雙模式。整體電路由非對(duì)稱收發(fā)開(kāi)關(guān)及帶源級(jí)電感負(fù)反饋的共源共柵結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在寬頻帶內(nèi)保證較低的噪聲系數(shù)的同時(shí)也提升了增益和線性度。實(shí)現(xiàn)的接收前端全集成芯片在LNA模式下，于2.3～2.7 GHz 頻率范圍內(nèi)測(cè)試的噪聲系數(shù)可達(dá)到1.53～1.64 dB 的較低水平，且增益在18.1～19.2 dB 之間。在2.5 GHz 時(shí)，輸入1 dB壓縮點(diǎn)為-1.5 dBm。