一款增益可調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

(北京工業大學電子信息與控制工程學院,北京 100124)

一款增益可調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

(北京工業大學電子信息與控制工程學院,北京 100124)

設計了一款增益可調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構構成的組合電路。實現了增益的可調且平坦以及寬帶輸入輸出匹配。基于WIN 0.2 μm GaAs HBT工藝庫,對FTG UWB-LNA進行驗證,結果表明:在1 GHz～6 GHz頻帶內,增益S21可以在21.16 dB～23.9 dB之間調諧,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,靜態功耗小于33 mW。

低噪聲放大器;增益可調且平坦;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前端接收機的關鍵模塊,對整個接收機系統的靈敏度和動態范圍有著重要的影響[1-5]。為了提高接收機系統的性能,需要UWB-LNA具有較高且平坦的增益,可調節的增益以及在寬帶內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內的平坦度(增益平坦度是指在給定帶寬范圍內的增益“劇烈增加”和“快速下降”的數值,數值越小增益越平坦)達到了±0.25 dB,但是所采用有源電感的結構比較簡單,沒能實現對增益的調節。文獻[11]設計的UWB-LNA,利用電流鏡控制和電流復用技術的放大模塊,實現了寬帶增益調節輸出,在頻率為2 GHz時,增益從7到13 dB進行調節,但該技術方案不能針對平坦度進行優化,在0.47 GHz～3 GHz內平坦度為±1.15 dB。另一方面,在寬帶內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放大器級聯實現的帶寬增益達到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,采用跨導增強技術和有源電感作輸入匹配,實現了良好的輸入匹配,且在3.1 GHz～10.6 GHz內增益平坦度為±0.7 dB,但最大增益不到13 dB。為了實現增益的可調、寬帶內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電路設計進行分析,包括輸入級的設計,放大級的設計和輸出級的設計。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,最后得出結論。

圖1 FTG UWB-LNA的電路原理圖

1 FTG UWB-LNA電路的設計

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,實現寬帶輸入匹配;放大級,一方面采用由晶體管Q3和Q4構成的達林頓結構來提高增益,另一方面,采用由電阻R2和有源電感AI(LAI)組成的負載電路,來實現增益的調節和增益的平坦化;輸出級由電流鏡偏置bias3、晶體管Q5和電阻R4構成,實現寬帶輸出匹配。

1.1 FTG UWB-LNA輸入級的設計

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構成RLC串并聯反饋網絡,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的基極與發射極之間的結電容,Rbe1、Rbe2分別為晶體管Q1、Q2的基極與發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

根據圖2(b)的小信號電路圖,輸入阻抗可表示為:

(1)

為了實現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提供穩定的基極偏置。為了實現輸入阻抗的匹配以及基極偏置電壓的穩定,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)

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

留給ofo的時間已經不多。11月14日，久未露面的戴威在已經很久沒有舉行的ofo公司大會上表示：除了破產，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的基極電壓穩定,減小晶體管Q2的結電容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放大級的設計

圖5為FTGUWB-LNA的放大級電路圖。晶體管Q3和晶體管Q4構成了達林頓結構,電阻R2和有源電感AI作為負載。信號經過晶體管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,通過調節LAI,補償放大器增益在高頻時的衰減,使增益平坦,另一方面,通過調諧LAI的電感值,可以實現在工作帶寬內放大器增益的調節。下面我們對新型有源電感(LAI)的調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的基于回轉器結構和負反饋回路的新型有源電感。

圖6 基于回轉器結構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成了帶有電阻反饋的回轉器結構有源電感。電容Ct由1個反偏肖特基二極管構成。晶體管Q6,Q8和Q9構成1個負反饋回路。電容C3為隔直電容,I2、I3為可調電流源,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的基極與發射極之間的結電容,Cbe10作為回轉電容。圖7中Rbe6～Rbe10分別為晶體管Q6～Q10的基極與發射極之間的等效電阻。圖7中Ro7為晶體管Q7的集電極與發射極之間的等效電阻。gm6～gm10分別為晶體管Q6～Q10的跨導。

根據圖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串并聯網絡。

圖8 新型有源電感的等效的RLC串并聯網絡

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構成的共基-共射結構減小了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,調節I2可改變跨導gm6和gm7,能夠使LS,GP及RS改變,進而實現對電感值LAI的調節和工作帶寬的擴展,調節I3可改變跨導gm8,能使GP改變,進而也能實現電感值LAI的調節和工作帶寬的擴展。盡管可以通過單個調節來改變電感值,但往往可調范圍較小,因此,為了實現LNA的增益可調和增益在工作帶寬內的平坦,可以通過聯合調節有源電感的各偏置來完成。

1.3 FTG UWB-LNA輸出級的設計

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為并聯電阻。Cbe5為晶體管Q5的基極與發射極之間的結電容,Rbe5為晶體管Q5的基極與發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。為了實現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的基極偏置來調節gm5,實現良好的輸出阻抗匹配。

根據圖9(a)中的bias3電路結構,可以求出跨導gm5的表達式如下:

(14)

通過合理設計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為不同的聯合偏置下的有源電感的性能驗證結果。從圖10可以看出在1GHz～6GHz內,通過聯合調節I2和I3實現對電感值的調諧,最大電感值調節范圍大小為5.02nH。

圖10 不同的聯合偏置下的有源電感的電感值

圖11與圖12分別為不同的聯合偏置下電路增益S21與噪聲系數FN,輸入反射系數S11與輸出反射系數S22的性能驗證結果。在1GHz到6GHz的工作頻帶內,S21均高于20dB。在聯合偏置調節的情況下,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 不同的聯合偏置下電路增益S21和噪聲系數FN

圖12 不同的聯合偏置下電路的S11和S22

表1是本設計的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,FTGUWB-LNA的增益(S21)大于20dB且可在21.16dB～23.9dB之間調諧,增益平坦度達到±0.65dB,輸入反射系數(S11)小于-10dB和輸出反射系數(S22)小于-12dB。在增益方面,優于文獻[10]的12.5dB和文獻[13]的12.1dB且本文增益可調諧;在增益平坦度方面,優于文獻[11]的±1.15dB、文獻[12]的±5dB以及文獻[13]的±0.7dB;在輸入匹配方面,優于文獻[10]的-8dB和文獻[13]的-9.5dB;在輸出匹配方面,優于文獻[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節的新型有源電感和達林頓結構,一方面實現了有源電感電感值的大范圍調節,進而實現了增益的寬范圍調節,而且補償了在高頻下增益的下降,實現了增益的平坦。另一方面,提高了放大器的增益;在輸入級采用了RLC的串并聯反饋網絡和新型偏置,以及在輸出級采用了電阻并聯和電流鏡偏置的共集放大器,實現了良好的輸入輸出匹配。本文增益和增益的調節方法,在取得了較高增益的同時,也實現了增益的寬范圍調節,且具有較好的增益平坦度,解決了增益的可調性、平坦度和大小三者之間相互制約的矛盾,為優化UWB-LNA增益的設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的性能參數比較

注:N/A表示未知。

3 結論

基于WIN 0.2 μm GaAs HBT工藝,設計了一款采用有源電感的增益可調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反饋構成的共基-共射放大器作為輸入級,采用電阻并聯和電流鏡偏置的共集放大器作為輸出級,分別實現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構構成的組合電路作為放大級,實現了LNA增益在工作帶寬內平坦,且可調以及提高。驗證結果表明,FTG UWB-LNA,在1 GHz～6 GHz頻帶內,增益(S21)可以在21.16 dB～23.9 dB之間調諧;最優增益平坦度達到±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(FN)小于4.08 dB;在4 V的工作電壓下,靜態功耗小于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高精尖創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