无线接收机中双模窄带低噪声放大器设计

杨立衡，陈勖

（1.深圳信息职业技术学院学报，广东 深圳 518172；2.深圳信息职业技术学院软件学院，广东 深圳 518172）



无线接收机中双模窄带低噪声放大器设计

杨立衡1，陈勖2

（1.深圳信息职业技术学院学报，广东 深圳 518172；2.深圳信息职业技术学院软件学院，广东 深圳 518172）

摘 要：本文采用全差分源级退化电感和共源共栅结构设计了一款适用于GSM高频段手持设备的双模低噪声放大器电路。整个电路采用标准0.18μm CMOS工艺设计，实现了高增益、低增益和旁路三种增益模式。仿真结果表明：在DCS1800和PCS1900工作模式下，该低噪声放大器电路的最大电压增益分别是20.3dB和20.9dB，最小噪声系数分别是1.6dB和1.63dB，在1.8V电源电压下电流为5.5mA。设计的低噪声放大器完全满足DCS1800/PCS1900系统要求。

关键词：低噪声放大器； 共源共栅； 噪声系数；增益控制

引言

当前， 无线通信技术迅猛发展，终端产品市场上GSM、CDMA、GPS及Bluetooth等多种无线通信标准并存，但GSM仍然是全球最大的占有市场份额最大的无线通讯制式［1-3］。GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准，目前GSM频段除了包括大家所熟知的GSM850/ GSM900外，还包括DCS1800 / PCS1900，其中DCS1800主要在欧洲、亚洲等地区使用，而PCS1900主要在美洲等地区使用。

在无线通信系统接收机前端，接收天线接收进来的信号通常是比较弱的，因此，在对信号进行解调之前，需要有一个放大器对信号进行放大，同时，还必须抑制噪声信号的放大。这就是低噪声放大器［4］。作为射频接收前端的第一个模块，它不仅要具有较宽的接收信号动态范围［5-10］（一般需要达到100dB左右的范围），而且它的噪声系数决定了整个接收系统的噪声基底。因此，低噪声放大器必须努力提高信噪比，避免信号在后续的混频器处理中被噪声湮没。但是低噪声放大器的增益也不能太高［11-16］，否则对后续信号处理的混频器线性提出苛刻而难以达到的要求。另外，较宽的输入动态范围也需要低噪声放大器具有足够高的线性［17-22］，避免在强干扰信号情况下，放大器出现增益压缩、减敏、互调和交调等非线性行为。同时，还应满足功耗低和占据芯片面积小，来延长手持设备电池使用时间及降低制造成本。

本文的目的是为采用低中频架构的GSM高频段手持设备射频芯片设计一款实用的双模低噪声放大器电路，采用高、低和旁路三种增益模式完成对不同强度的射频信号的放大，同时采用负载开关电容阵列的方式完成对频带的选择以及工艺偏差的调节，最终达到系统对性能和频率覆盖的要求。

1　结构选择

低噪声放大器的噪声必须尽可能低。因此，对低噪声放大器电路主体结构的实现不用像其他射频电路结构那样复杂，一般单个晶体管即可满足对信号的放大功能。常见的放大器基本结构有共源、共漏和共源共栅三种结构，如图1所示。

图1　三种常见的基本放大器Fig.1 Three basic amplifiers

在三种基本结构中，共源结构具有低功耗特性，而共源共栅结构则因为能够减小共源结构的密勒效应而被人们作为设计的首选。接下来在源级串联一个电感来调节实现输入级的功率匹配，这样的好处是不会引入额外的噪声。另外，单端放大器对接地的寄生电感非常灵敏，这样在设计和制造时就会因为偏差而使得性能受到限制；而差分放大器利用尾电流虚地，降低了对寄生电感的灵敏度，采用源级退化电感来调节等效的输入电阻，还能够抑制共模噪声。当然，差分结构相对于单元而言，需要双倍的功耗、双倍的芯片面积，并且需要单端转差分的巴伦来实现和天线的连接。不过仔细研究DCS1800 / PCS1900的标准，差分结构能够提供双倍的增益，偶次谐波抑制较好，具有更大的动态范围。综合上述优缺点，本次设计采用全差分源级退化电感的共源共栅结构。

由于设计的低噪声放大器用于DCS 1800/ PCS1900双模接收机系统，因此，设计时尽量使各频段的负载电感共用，来缩小芯片面积。另外由于低噪声放大器接收信号动态范围大（从几十微伏到几百毫伏），为了避免混频器线性饱和，低噪声放大器的增益要可变；同时为了补偿工艺、温度和电源电压变化所带来的影响，低噪声放大器应该具有自动或半自动补偿调节的功能。

2　电路设计

经过论证，GSM双频段DCS1800和PCS1900低噪声放大器共享两个电感，这样大大缩小了芯片面积。

根据输入信号的大小，低噪声放大器要实现可变增益控制以满足混频器的输入要求，分别为高增益模式、低增益模式和旁路模式三档。当接收到的信号非常低，通过高增益模式把其放大；当信号非常大时，通过旁路模式将电路旁路，信号直接进入混频器；当信号处于中间水平时，通过低增益模式进行适当放大给混频器。负载LC谐振回路槽的电容以开关电容阵列实现，完成频带选择、工艺偏差的调节。两频带的偏置电流部分共用，通过开关切换到所需工作频带。

对于DCS1800和PCS1900来说，除了工作频率不同及器件稍有不同之外，其电路结构与工作原理完全一样，两频带的负载开关电容谐振槽与源级电感共用。因此，仅以PCS1900来阐述低噪声放大器的电路结构及器件选择。

2.1核心单元

低噪声放大器的基本内核就是对输入信号进行放大的部分，这里包括高、低和旁路三种增益模式，如图2所示。

图2　低噪声放大器电路结构Fig.2 the structure of low noise amplifier

晶体管M0～M7、电感L0～L1及LC tank构成了差分结构的高低增益模式结构，而M8～M9及C0～C1实现信号的旁路。源于差分结构的对称性，这里以单边支路来阐述其工作原理。当highgain控制端为高电平，lowgain与bypass控制端为低电平时，晶体管M9与M7关断，M5与M3导通，电路工作在高增益模式；当lowgain为高电平，highgain与bypass为低电平时，晶体管M9与M3关断，M5与M7导通，电路工作在低增益模式；当bypass为高电平，lowgain与highgain为低电平时，同时偏置电流源关断，晶体管M3、M5与M7关断，M9导通，电路工作在旁路模式。由此可以看到，通过控制流过负载的电路达到改变增益的目的。

放大管与源级电感的选取主要是偏置、噪声、增益和线性的折中。一般来说，电流增加，增益增大，噪声系数变小，但对噪声系数而言，这不一定总是正确的。我们选取电流在一个合理值上，放大管W/L增大，gm增大，线性变差，噪声逐渐变为以沟道噪声为主，放大管W/L减小，gm减小，线性改善，噪声逐渐变为以栅噪声为主。所以对于放大管来说，我们必须通过在偏置、噪声、增益与线性之间折中取一个优化值。

从输入端与输出端来看，无论高增益还是低增益，输入阻抗理论上没有变化，输出端负载包括寄生在内的差别仅在于高增益看到的是M3管导通时的漏级寄生电容，低增益看到的是M3管关断时的漏级寄生电容，M3管无论导通还是关断，其漏级pn结都处于反偏状态，而反偏时的电容是很小的，所以导通和关断时的寄生电容差别也应该是非常小的，所以高增益和低增益对外部输入匹配网络与输出寄生电容来说是一样的。因此，对于以图2为核心的低噪声放大器，输入匹配与输出调频对高增益还是低增益都是比较好满足的，但是对于旁路模式，其结构与工作状态完全不同于高低增益时的情况。因此，需要着重考虑开关管M9和耦合电容C1的值，以满足旁路模式的要求，并能兼容高、低增益模式。

2.2开关电容负载LC谐振槽

图3是开关电容负载，用来实现工艺角补偿。对电感来说，其上的压降V=Ldi/dt；对于电容，其上的压降V=∫idt/C。因此，电感值越大，增益越高，电容的可调节范围就变小，电感的版图面积也会变大。所以在满足增益要求的基础上尽量减小电感值，应以减小电感所占据的版图面积及增大电容的可调节范围为主要优化目标。同时选取射频电容来减小对衬底的耦合损耗。

图3　负载开关电容LC谐振槽Fig.3 The switching capacitor LC resonant tank

偏置控制部分包括频带选择、增益选择、工艺角补偿的逻辑控制部分以及偏置电流的控制部分。逻辑电路主要是通过译码电路逻辑实现的；所有的数字控制信号都通过从数字电源电压转到模拟电源电压，即经过两级反相器，再送到对应的开关管的输入，控制相关的数字控制。偏置电流部分采用MOS基准实现，主要有三部分组成，来补偿温度变化带来的影响，低温和高温是恒流源，中间温度是正温度系数的电流源。

表1给出了数字逻辑控制的关系。

表1　数字逻辑控制关系表Tab.1 The digital logic control relationship

图4给出了频带选择、增益选择的逻辑电路。

图4　频带选择和增益选择的逻辑电路Fig.4 The logic circuit of band and gain selection

2.3外部输入匹配网络

匹配网络是一个阻抗变换网络，使得天线接收到的功率尽可能多地被低噪声放大器接收到。同时，它对低噪放也存在一个最优噪声匹配。匹配网络选取遵循的原则就是在满足指标要求的情况下尽可能少用外部器件，及每一外部器件的选取尽可能接近有关厂商所能提供的器件标称值。

这里由于DCS1800和PCS1900频段不一样，故需要分别做匹配电路，不过差别也只是工作频率，因此外部匹配网络的结构可以选择相同。我们选用L型匹配网络。同时设计时采用的是差分输入，因此匹配网络也做了适当调整。如图5所示。这里同时考虑了封装寄生电容和键合线电感的影响。对于DCS1800频段，匹配网络中元件参数为：Lg=6.4nH，Lp=8.5nH，Cb=8pF。对于PCS1900频段，Lg=5.8nH，Lp=7.7nH，Cb=8pF。

图5　外部匹配网络Fig.5 The external matching network

3　仿真分析

整个低噪声放大器设计采用TSMC 0.18μm 1P5M的CMOS工艺实现。由于整个低噪声放大器模块采用差分输入输出工作，在版图设计时，主要考虑的就是对称性，另外还需要考虑版图尽可能紧凑。整个版图如图6所示：

图6　低噪声放大器版图Fig.6 The layout of low noise amplifier

利用Cadence公司的SpectreRF仿真工具对整个低噪声放大器电路的噪声系数，电压增益，输入匹配和稳定性等参数进行了寄生参数提取后的仿真分析。

图7为DCS1800和PCS1900在高增益、低增益和旁路模式下的噪声系数。由图可见，高增益模式下，两个频段的噪声系数均低于1.8dB，这也完全满足GSM高频段指标要求。

图7　三种增益模式下的噪声系数Fig.7 The noise figure under three gain modes

图8分别给出了DCS1800和PCS1900的电压增益。可以在高增益模式下，两个频段内的电压增益都超过了20dB，1dB带宽分别达到了140MHz和108MHz，完全满足DCS1800（有效带宽75MHz）和PCS1900（有效带宽35MHz）的要求。

图8　三种模式下的电压增益Fig.8 The voltage gain under three modes

图9分别是DCS1800和PCS1900在高增益模式下的输入反射系数。从仿真图形上看，输入匹配网络设计比较合理，在频带内小于指标所要求的-15dB。当然输入匹配受输入端寄生电容影响比较大，因此需要设计一定的余量。

图9　高增益下的输入反射系数Fig.9 The input reflection coefficient under high gain

另外，图10是整个低噪声放大器电路的稳定性曲线。可以看到在整个频带内Kf均大于1，满足无条件稳定的要求。

图10　低噪声放大器稳定性曲线Fig.10 The stability curve of low noise amplifier

4　结论

根据DCS1800和PCS1900系统的指标要求，采用全差分源级退化电感和共源共栅结构设计了一款适用于DCS1800/PCS1900双频段手持设备的低噪声放大器电路，通过数控方式实现了高、低增益和旁路模式和频段选择。仿真结果表明，该低噪声放大器在DCS1800和PCS1900频段中，电压增益最大可以达到20.3dB和20.9dB，噪声系数最小可以降到1.6dB和1.63dB，完全适用于全集成的DCS1800/ PCS1900手持式设备中。

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【责任编辑：高潮】

【信息技术应用研究】

Design of a dual-mode narrow-band Low-noise amplifier for wireless receivers

YANG Liheng1， CHEN Xu2
（1. Journal Editorial Department， Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen 518172， China；2. Software Institute， Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen 518172， China）

Abstract:This paper introduces a dual-mode low-noise amplifier suitable for GSM high-frequency band handset RFIC with fully differential Source degeneration inductor and the structure of cascade. It uses standard 0.18μm CMOS technology and realizes three operation modes: high-gain， low-gain， and by-pass. The simulation results show that the maximum gain are 20.3dB， 20.9dB， the minimum noise figure are 1.6dB， 1.63dB in mode DCS1800 and PCS1900. The circuit dissipates 5.5mA from a 1.8V supply. It will satisfy the requirements of DCS1800/PCS1900 application.

Key words:low noise amplifier； cascode； noise factor； gain control

中图分类号：TN752

文献标识码：A

文章编号：1672-6332（2016）01-0033-06

［收稿日期］2015-12-13

［基金项目］深圳市科技计划项目（JCYJ20140418100633642）

［作者简介］杨立衡（1978 - ），男（汉），贵州贵阳人，硕士，工程师，主要研究方向：射频集成电路设计。E-mail：yanglh@sziit.com.cn