一種用于UHF RFID閱讀器的無電感巴倫LNA設(shè)計(jì)

寧方瀟，張 健，陳曉哲，楊 浩，張海英

（中國(guó)科學(xué)院 微電子研究所，北京 100029）

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）可能是自動(dòng)識(shí)別的最佳選擇，RFID技術(shù)具有無線，非接觸，高數(shù)據(jù)速率，多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)別以及長(zhǎng)的讀寫范圍等優(yōu)勢(shì)，能夠廣泛的應(yīng)用在供應(yīng)鏈管理，過程控制，自動(dòng)登記，物流管理，不停車收費(fèi)等方面[1]。在國(guó)家大力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的大背景下，RFID閱讀器和標(biāo)簽的研究成為熱點(diǎn)。集成在一個(gè)芯片的射頻收發(fā)機(jī)和數(shù)字基帶處理部分可以大大減小閱讀器的尺寸，降低成本，并且降低系統(tǒng)功耗延長(zhǎng)使用壽命。

一個(gè)RFID系統(tǒng)的讀寫范圍依賴于工作頻段，閱讀器的發(fā)射功率，標(biāo)簽的靈度，標(biāo)簽的調(diào)制效率，數(shù)據(jù)速率以及閱讀器接收機(jī)的靈敏度。高靈敏度的集成射頻接收機(jī)要求低噪聲放大器有足夠的增益，低于3 dB的噪聲因子（NF），足夠大的線性度以及輸入阻抗匹配NIN=ZS。 經(jīng)典的共源共柵低噪聲放大器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用電感進(jìn)行輸入輸出阻抗匹配，在900 MHz的頻率下，匹配電感的電感值往往很大，占用大量的芯片面積。文中設(shè)計(jì)了一種無電感的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器，基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝，節(jié)省大量的芯片面積，并具有較低的噪聲，高的線性度。

1 LNA的設(shè)計(jì)考慮

無源UHF RFID系統(tǒng)是半雙工的系統(tǒng)[2]，由于tag是無源的，需要閱讀器提供能量才能工作，采用的是后散射（backscatter）的工作模式，這就要求在閱讀器接收tag響應(yīng)的時(shí)候發(fā)射機(jī)一直工作，也就是存在一個(gè)很強(qiáng)的CW（連續(xù)波）信號(hào)[3]，這個(gè)CW信號(hào)恰恰與我們要接收的信號(hào)工作在一個(gè)頻段上。對(duì)于UHF RFID閱讀器接收機(jī)，與其他無線接收系統(tǒng)最大的不同就在于要應(yīng)付發(fā)射機(jī)大的泄露對(duì)tag反射信號(hào)的干擾。發(fā)射機(jī)的本振泄露在5 dBm左右，這個(gè)大的干擾信號(hào)會(huì)造成接收機(jī)的飽和，惡化靈敏度。這就要求低噪聲放大器有很大的動(dòng)態(tài)工作范圍和很高的輸入1-dB壓縮點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)基于ISO 18000-6協(xié)議，工作頻率為860～960 MHz，低噪聲放大器采用單端輸入的結(jié)構(gòu)可以避免使用任何外接的巴倫，但是I/Q兩路下變頻混頻器要求低噪聲放大器是差分輸出。圖1是射頻前端的結(jié)構(gòu)框圖。文中的工作是LNA的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

在LBT的模式下，可調(diào)衰減器是旁通的來實(shí)現(xiàn)-90 dBm的接收機(jī)靈敏度，在talk模式下，引入可調(diào)衰減器的目的是提高系統(tǒng)的輸入1-dB壓縮點(diǎn)，假如衰減器能夠衰減干擾信號(hào)12 dB，那么5 dBm的泄露信號(hào)會(huì)被減弱到-7 dBm，此時(shí)只要低噪聲放大器的輸入1-dB壓縮點(diǎn)高于-7 dBm，那么接收機(jī)就不會(huì)由于CW信號(hào)泄露進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，從而能正常工作。不過衰減器也同時(shí)衰減了RF輸入信號(hào)，導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度下降到-78 dBm左右 （假設(shè)tag的靈敏度是-15 dBm的話，這已經(jīng)足夠了）。

低噪聲放大器的噪聲性能決定了系統(tǒng)的靈敏度，噪聲因子小于3 dB滿足系統(tǒng)指標(biāo)。

2 噪聲抵消技術(shù)

噪聲消除技術(shù)最早應(yīng)用在寬帶LNA中，對(duì)于輸入級(jí)MOSFET，噪聲主要來自溝道熱噪聲，可以用連接在漏源兩端的電流源模擬[4]，圖2所示為噪聲消除技術(shù)的原理。

圖2 噪聲消除的原理Fig.2 Noise canceling principle

溝道電流熱噪聲 In，i的一部分 α·In，i會(huì)流過輸出節(jié)點(diǎn) Y和輸入節(jié)點(diǎn)X，并在節(jié)點(diǎn)X、Y上產(chǎn)生瞬態(tài)的噪聲電壓，其中α依賴于 MOS管的輸入阻抗ZIN=1/gmi和RS的關(guān)系，0<α<1。這兩個(gè)瞬態(tài)噪聲電壓是同向的

下角標(biāo)X，Y分別代表X、Y節(jié)點(diǎn)的電壓。

另一方面，對(duì)于信號(hào)電壓其在節(jié)點(diǎn)X和Y上是反向的，這是因?yàn)榉糯蠊艿脑鲆鍭V，i<0。正是由于輸入輸出節(jié)點(diǎn)噪聲電壓同向而信號(hào)電壓反向，才使得消除掉輸入MOS管噪聲成為可能。如圖2所示，完成噪聲消除的方法是創(chuàng)造一個(gè)新的輸出點(diǎn)，將Y節(jié)點(diǎn)的輸出電壓與經(jīng)過反向放大的X節(jié)點(diǎn)電壓在此相加，反向的噪聲電壓會(huì)相互抵消，同時(shí)同向的信號(hào)電壓相加得到加強(qiáng)。

兩路相加后的輸出噪聲電壓：

其中AV是放大器的增益。希望輸出噪聲相抵消，也就是希望VOUT，n，i=0，可得噪聲相抵時(shí)反向放大器的增益大小為

抵消噪聲后的總的增益為

一種利用了噪聲消除的低噪放的實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]，輸入共柵級(jí)（CG）與共源放大級(jí)（CS）并聯(lián)完成了噪聲抵消和單端轉(zhuǎn)差分的功能。

圖3 基本共柵共源巴倫低噪聲放大器Fig.3 Basic common-gate-common-source topology of Balun--LNA

作為輸入級(jí)的CG管要實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配，

信號(hào)電流等于流過電阻RCG的電流，

從上式可推得共柵級(jí)的輸入阻抗的表達(dá)式為

聯(lián)列式（6）和式（8），那么得到共柵級(jí)的增益的表達(dá)式

要實(shí)現(xiàn)巴倫輸出平衡的功能，CG級(jí)的輸出增益應(yīng)該與CS級(jí)的增益大小相等方向相反，即要求共源級(jí)增益

因?yàn)檩敵鍪莾身?xiàng)的差分，相等的兩噪聲項(xiàng)相互抵消，達(dá)到了噪聲抵消的目的。

實(shí)際上，噪聲消除技術(shù)還能抵消非線性引起的失真，非線性的輸入電壓vin可以用Taylor級(jí)數(shù)展開：

CG級(jí)的輸出電壓為：

從而輸出差分電壓信號(hào)為：

可見所有的非線性項(xiàng)都被抵消了。綜上分析，也就說在滿足輸出平衡的要求下，能夠同時(shí)消除晶體管的噪聲和CG輸入管引起的非線性失真，提高了噪聲性能和線性度。

3 LNA的設(shè)計(jì)

經(jīng)過上面的理論分析，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是滿足（10）式，即要滿足下式

低的噪聲系數(shù)需要大的，也就是說需要大的電流，于是在功耗和噪聲之間存在一個(gè)折中。因?yàn)樵贑MOS工藝中電阻的值的容差很大，所以采用比例電阻的方法來設(shè)計(jì)。電路的原理圖如圖4所示，偏置電路和片外匹配沒有給出，圖中的電感需要外接。

圖4 巴倫低噪聲放大器的原理圖Fig.4 Schematic of Balun-LNA

經(jīng)仿真分析知RCG=nRCS時(shí)噪聲性能最優(yōu)，整數(shù)n大于1。考慮功耗與噪聲的折中，本設(shè)計(jì)中取n=3。所有的管子都取工藝允許的最小長(zhǎng)度180 nm以保證管子的特征頻率最大。為了提高隔離度，在圖4的基礎(chǔ)上，首次提出增加Cascode管M3-M4，它們的柵極接電源電壓。采用Cascode結(jié)構(gòu)可以增大電路的輸出阻抗，使得負(fù)載阻抗完全有負(fù)載網(wǎng)絡(luò)決定，Cascode管還能提高穩(wěn)定性并使得放大管漏端電壓降低，減弱載流子速度飽和對(duì)放大管的影響。

輸入匹配要求M1的輸入阻抗為50 Ω，也就是要求gm1=20 mS，電路采用交流耦合的輸入方式，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)在片外實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)不存在片上電感，所以電路占用的芯片面積只有 0.02 mm2。

4 版圖和仿真結(jié)果

低噪聲放大器的版圖如圖5所示，在版圖設(shè)計(jì)中盡量保證器件的對(duì)稱性，采用多個(gè)同樣尺寸的管子實(shí)現(xiàn)一個(gè)大尺寸管子。LNA作為接收機(jī)的第一級(jí)與輸入引腳直接相連，盡量用高層金屬以減小寄生。使用dummy電阻以減小電阻的失配。

LNA的輸入1-dB壓縮點(diǎn)、噪聲因子、輸入阻抗匹配、增益的后仿真曲線如圖6所示。在860～960 MHz的頻帶內(nèi)，輸入反射系數(shù)S11<-15 dB，小信號(hào)增益不小于19.2 dB，輸入1-dB壓縮點(diǎn)為-5.2 dBm，噪聲因子低于2.6 dB。

LNA的總電流為8 mA，IIP3為5.9 dBm。仿真結(jié)果表明LNA實(shí)現(xiàn)了低噪聲、高線性度、寬帶的輸入匹配以及足夠的增益。

圖5 低噪聲放大器的版圖Fig.5 Layout of the LNA

表1 UHF RFID閱讀器射頻前端LNA性能比較Tab.1 UHF RFID Reader RF Front-end LNA performance comparison （T=27℃）

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一款基于TSMC 0.18μm工藝的超高頻RFID閱讀器射頻前端無電感巴倫低噪聲放大器，單端輸入差分輸出的結(jié)構(gòu)避免了外接巴倫的引入的額外損耗，通過后仿真驗(yàn)證了本結(jié)構(gòu)的性能，由于利用了噪聲抵消技術(shù)所以獲得了很低的噪聲因子和很高的線性度，從而提高了射頻接收機(jī)的靈敏度，也就能提高閱讀器的可識(shí)別距離。

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圖6 LNA的后仿真曲線Fig.6 Post simulated curve of LNA

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