应用于无线传感器网络2. 4 GHz的低噪声放大器设计
传感器网络将是信息获取(传感) 、信息传输与信息处理三大子领域技术再一次相互融合的产物。
某些场合的通信不能依赖于任何预先架设的网络设施,而是需要一种能够临时快速自动组织网络的移动通信技术。因此、传感器网络将逐渐引领人类步入“网络即传感器”的传感时代。
低噪声放大器LNA ( low noise amp lifier)是射频接收前端的主要组成部分。由于位于接收前端的第一级,直接与天线相连,所以它的噪声特性将对整个系统起着决定性作用。同时,天线接收的信号一般很弱,所以低噪声放大器本身必需提供足够的增益放大信号,并把有用的信号完整地传输到下一级。
本文设计的低噪声放大器,工作在2. 4 GHz频段上,采用SM IC 0. 13μm RF CMOS工艺设计。对于射频系统,尤其是应用于无线传感器网络节点中的模块,功耗是必须首先考虑的问题。在此基础上放大器需提供足够的增益以及低噪声系数,并且满足一定的带宽、线性度以及稳定度。但是最小噪声系数与最大增益是不可能同时得到的。因此,如何在限定功耗的前提下尽可能实现输入输出功率匹配以及提高低噪声放大器的噪声性能成为设计中的最大挑战。
1 低噪声放大器设计
1. 1 电路结构
本文采用的低噪声放大器电路结构如图1所示。
图1 低噪声放大器原理图
该低噪声放大器主体电路采用共源共栅的差分结构,由于共栅级电路的输入阻抗很小,抑制了共源级的电压增益,从而遏制了密勒效应,提高了反向隔离度,同时使输入阻抗受共源管M1、M2 栅漏间电容以及后级电路影响变小,使放大器稳定性增强。
在该结构中,片内电阻R1、R2 分压产生偏置电压Vbias ,通过Rg1、Rg2加在共源管M1、M2 栅极, 为其提供直流偏置。为了保证较低的噪声系数, Rg1、Rg2应选取阻值较大的电阻, 以隔离偏置电路中电阻R1、R2 带来的噪声。晶体管M3、M4 为共栅MOS管。
片内源极电感Ls1、Ls2以及M1、M2 栅源间附加电容Cex1、Cex2配合栅极片外电感Lg1、Lg2 , 实现低噪声放大器的输入匹配。电感Ld1、Ld2分别和电容Cd1、Cd2并联,再分别与Cd3、Cd4串联, 实现低噪声放大器的输出匹配。
分析图1所示差分共源共栅放大器的半电路工作状态,对于工作于饱和区的MOS管有：
为保证低噪声放大器满足较小的噪声系数,放大电路中的MOS管的栅长应尽量选择最小值,本工艺最小栅长为0. 13μm,所以,共源管M1 和共栅管M3 的栅长L1、L3 皆设为0. 13μm。在此情况下,改变共源管和共栅管的栅宽W1、W3 ,可以调整M1、M3的跨导gm1、gm3。根据共源共栅电路性质可知,改变共源管和共栅管的跨导可以改变放大器的增益。本次设计采用1. 2 V电源电压供电,为了保证一定的线性度,以及确保M1 栅源电压Vgs1大于阈值电压Vth (本工艺的Vth约为430 mV) ,选择直流偏置电压Vgs1为600 mV。对于工作于饱和区的MOS管,其漏极电流Id 表示为：
本次设计要求功耗限制为8 mW, 在偏置电压Vgs1以及各工艺参数都已确定的情况下, 共源管M1和共栅管M3 的栅宽W1、W3 决定了该放大器的工作电流Id ,即决定了放大器的功耗。设计时,在保证增益的前提下, 调整W1、W3 , 仿真得到半电路工作电流约为3 mA,即总电流约为6 mA,满足指标要求。
该低噪声放大器增益控制电路采用信号加成模式,增益控制MOS管Mc1、Mc2由VC1控制,Mc3、Mc4由VC2控制。在半电路中,通过改变Vc1可以改变Mc1的通断,在Id1不变的情况下,则可以改变流过M3 电流Id3。而工作在饱和区的M3 管的跨导gm3可以表示为：
所以改变Id3可以改变gm3 , 进而实现放大器增益的改变。
1. 2 输入匹配
图1所示低噪声放大器输入端半电路及其小信号等效电路如图2所示。
图2 输入端电路结构及小信号模型
首先考虑输入端未接入M1、M2 栅源间附加电容Cex1、Cex2时的情况。通过输入端电路小信号模型分析得放大器输入阻抗为：
为了得到最小的噪声系数, 源阻抗最佳值(最佳噪声源阻抗) Zop t应满足：
其中,α为共源管跨导与其源漏电导的比值。δ为一常数,γ为一系数, 在长沟道器件中,δ的值约为1. 33,γ的值约为0. 67, 在短沟道器件中, 这两个值都会因为短沟道效应而变大。定义c为栅噪声与漏噪声相关系数, 其值一般为0. 395 j, 为一纯虚数,反映了栅和沟道间噪声引起的的容性耦合程度。
源级电感Ls 和栅极电感Lg 不会导致最佳噪声源阻抗的实部发生变化,而仅对电抗部分产生影响。
要实现功率和噪声同时匹配,必须使输入阻抗Zin和最佳噪声源阻抗Zop t共轭匹配, 令Zin = 50 Ω,则有：
即：
式(6)中有4个方程, 4个未知数,只有一组解,即功率匹配和噪声匹配同时满足时, 功耗( Id )是确定的,不可以优化。而在限定功耗的情况下,功率匹配和噪声匹配则不可能同