低功耗超宽带低噪声放大器的研究与设计

来源 :北京工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:pangzhu311
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作为无线接收机的重要模块之一的超宽带低噪声放大器(Ultra Wide BandLow Noise Amplifier, UWB LNA),朝着更低功耗、更低噪声、更宽频带发展是必然趋势。本论文对用于超外差接收机的单端低功耗超宽带低噪声放大器和用于直接变频接收机的差分低功耗超宽带低噪声放大器进行了研究与设计,主要工作包括:  1.设计一款用于超外差接收机的单端低功耗超宽带低噪声放大器。该放大器分为两级,输入级和放大输出级。输入级采用跨导增强的共栅结构,降低了电路的噪声并且在宽频带范围内实现了输入匹配。放大输出级的放大管和输出缓冲管通过电感和电容连接到一起,由于电容和电感的直交流去耦合作用,使放大管和输出缓冲管共用同一直流偏置,实现了直流偏置电流的二次复用,有效地减小了电路的功耗。在放大输出级通过加入电阻-电感负反馈及并联峰化电感,拓展了电路的带宽。验证结果表明,在3.1~10.6GHz的频带范围内,噪声系数介于2.9~4.5dB,输入和输出的回波损耗均优于-11dB,在1.8V电压下,静态功耗仅为8.99mW,在5GHz下,1dB压缩点为-20.8dBm,放大器增益为14.8±0.6dB,稳定因子μ恒大于1。整个电路在低功耗状态下取得了良好的性能。  2.设计了一款用于直接变频接收的差分低功耗超宽带低噪声放大器。该放大器分为三级,输入级,放大级和输出缓冲级。输入级采用电容交叉耦合的差分对与直接交叉耦合结构差分对的级联结构,实现了输入匹配及噪声抵消,改善了整个电路的噪声性能。放大级采用电阻-电感负反馈的共源结构,拓展了电路的带宽,并且通过电容电感的去耦合与输入级连接在一起,使输入级和放大级共同复用一个直流偏置电流,降低了整个电路的功耗。输出缓冲级采用源极跟随器结构,在宽频带范围内实现了输出匹配。由于差分电路结构有抵消整个偶次谐波的特性,该放大器有着较好的线性度。验证结果表明,在C波段(4GHz~8GHz),该放大器的噪声系数介于2.3-2.4dB之间,输入和输出的回波损耗均优于-11dB,在2.5V电压下,电路功耗仅为6.75mW,在6.5GHz下,1dB压缩点为-16.6dBm,三阶交调点(IIP3)为-7dBm,二阶交调点(IIP2)为+27dBm,增益为20.4±0.5dB,稳定因子μ恒大于1。整个电路在低功耗状态下取得了良好的性能。  3.基于TSMC0.18μm1P5M工艺,采用Cadence virtuoso软件完成了电路版图的设计。单端UWB LNA版图在合理布局后,面积约为0.654×0.684mm2。差分UWB LNA的电路版图的布局上下对称,有效的减小版图失配,其版图面积约为0.954×0.989mm2。  对于本论文提出的用于超外差接收机的单端UWB LNA和用于直接变频接收机的差分UWB LNA,均采用安捷伦射频仿真软件ADS对其性能进行了验证。验证结果与国内外相关的文献对比,单端UWB LNA采用的跨导增强技术、二次电流复用技术,使该电路在功耗、噪声、带宽三方面取得了良好的性能,输入、输出匹配和线性度性能也均满足射频电路前端性能要求。差分UWB LNA采用的噪声抵消技术、电流复用技术使该电路在噪声、功耗、带宽、线性度方面取得了良好的性能,输入、输出匹配也均满足射频电路前端性能要求。
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