复用可调谐有源电感的双频段高线性低噪声放大器的研究

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在双频段低噪声放大器(Dual Band Low Noise Amplifier; DB-LNA)集成电路设计中,使用片上螺旋电感,不仅占用大部分芯片面积,而且存在着电感值不可调谐、Q值低等缺点,限制了放大器性能。本文对基于MOSFETs合成的小面积、超宽带、高Q值、可调谐有源电感进行研究,将其应用到双频段低噪声放大器(DB-LNA)设计中,并复用有源电感,一方面极大节省了芯片面积,另一方面利用其可调谐特性,调谐其偏置电压,实现了DB-LNA阻抗匹配、噪声匹配、高增益和高线性度等特性。首先,对基于CMOS源随结构的宽频带、高Q值、可调谐新型有源电感进行研究。选取CMOS源随结构作为我们合成新型有源电感的基本电路拓扑结构,在此基础上,加入传输线、有源反馈偏置电路和负阻补偿网络。加入的传输线可以有效地增大电感值,有源反馈偏置电路为CMOS源随结构提供合适的偏置条件,负阻补偿网络可以提供负阻,进而减小有源电感输入阻抗的实部损耗。利用Agilent ADS射频仿真工具对新型有源电感进行了仿真验证,并利用Cadence下virtuoso版图设计工具进行版图绘制。结果表明,有源电感在工作频率2.4-5.2GHz范围内,随外部偏置的不同,等效电感值的可调谐范围为1.98~2.89nH(在2.4GHz下)、0.36~6.82nH(在5.2GHz下),Q值的最小值也可达到1002.9,面积仅为6586μm2。所有这些显示了新型有源电感具有高的电感值及宽的可调节范围、高的品质因子Q、高的工作频率和小的面积。然后,对复用有源电感的2.4GHz/5.2GHz双频段高线性低噪声放大器进行研究。2.4GHz频段放大器采用folded cascode(折叠共源共栅)放大结构,提高放大器的增益;5.2GHz频段放大器采用共栅(CG)放大结构,提高放大器的工作频率。采用源端有源电感退化技术、栅端有源电感退化技术、有源电感并联峰化技术和前馈微分叠加线性度改善技术分别实现DB-LNA阻抗匹配、噪声匹配、带宽扩展及线性度改善,进一步在folded cascode放大结构和CG放大结构中复用了源端退化有源电感和并联峰化有源电感,减少了DB-LNA中使用的有源电感数量,极大地缩小了芯片面积。采用可调谐有源电感的技术方案可用于调整在设计中没有考虑到的因工艺偏差、封装寄生带来的阻抗、增益、带宽的变化。基于TSMC0.18um CMOS工艺,利用Agilent ADS射频仿真工具对复用有源电感的DB-LNA进行了仿真验证,仿真结果表明,在频率2.4GHz工作时,增益S21=32dB,噪声系数NF=4.42-4.59dB,三阶交调IIP3=0dBm,1dB压缩点功率P-1dB=-14dBm,稳定性因子Mu_s>1.57;在频率5.2GHz工作时,增益S21=33dB,噪声系数NF=2.74-2.75dB,三阶交调IIP3=-5dBm,1dB压缩点功率P-1dB=-9dBm,稳定性因子Mu_s>3.28。
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