應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2. 4 GHz的低噪聲放大器設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)將是信息獲取(傳感) 、信息傳輸與信息處理三大子領(lǐng)域技術(shù)再一次相互融合的產(chǎn)物。

　　某些場(chǎng)合的通信不能依賴于任何預(yù)先架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,而是需要一種能夠臨時(shí)快速自動(dòng)組織網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)通信技術(shù)。因此、傳感器網(wǎng)絡(luò)將逐漸引領(lǐng)人類步入“網(wǎng)絡(luò)即傳感器”的傳感時(shí)代。

　　低噪聲放大器LNA ( low noise amp lifier)是射頻接收前端的主要組成部分。由于位于接收前端的第一級(jí),直接與天線相連,所以它的噪聲特性將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著決定性作用。同時(shí),天線接收的信號(hào)一般很弱,所以低噪聲放大器本身必需提供足夠的增益放大信號(hào),并把有用的信號(hào)完整地傳輸?shù)较乱患?jí)。

　　本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器,工作在2. 4 GHz頻段上,采用SM IC 0. 13μm RF CMOS工藝設(shè)計(jì)。對(duì)于射頻系統(tǒng),尤其是應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的模塊,功耗是必須首先考慮的問題。在此基礎(chǔ)上放大器需提供足夠的增益以及低噪聲系數(shù),并且滿足一定的帶寬、線性度以及穩(wěn)定度。但是最小噪聲系數(shù)與最大增益是不可能同時(shí)得到的。因此,如何在限定功耗的前提下盡可能實(shí)現(xiàn)輸入輸出功率匹配以及提高低噪聲放大器的噪聲性能成為設(shè)計(jì)中的最大挑戰(zhàn)。

　　1　低噪聲放大器設(shè)計(jì)

　　1. 1　電路結(jié)構(gòu)

　　本文采用的低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　低噪聲放大器原理圖

　　該低噪聲放大器主體電路采用共源共柵的差分結(jié)構(gòu),由于共柵級(jí)電路的輸入阻抗很小,抑制了共源級(jí)的電壓增益,從而遏制了密勒效應(yīng),提高了反向隔離度,同時(shí)使輸入阻抗受共源管M1、M2 柵漏間電容以及后級(jí)電路影響變小,使放大器穩(wěn)定性增強(qiáng)。

　　在該結(jié)構(gòu)中,片內(nèi)電阻R1、R2 分壓產(chǎn)生偏置電壓Vbias ,通過Rg1、Rg2加在共源管M1、M2 柵極, 為其提供直流偏置。為了保證較低的噪聲系數(shù), Rg1、Rg2應(yīng)選取阻值較大的電阻, 以隔離偏置電路中電阻R1、R2 帶來的噪聲。晶體管M3、M4 為共柵MOS管。

　　片內(nèi)源極電感Ls1、Ls2以及M1、M2 柵源間附加電容Cex1、Cex2配合柵極片外電感Lg1、Lg2 , 實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器的輸入匹配。電感Ld1、Ld2分別和電容Cd1、Cd2并聯(lián),再分別與Cd3、Cd4串聯(lián), 實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器的輸出匹配。

　　分析圖1所示差分共源共柵放大器的半電路工作狀態(tài),對(duì)于工作于飽和區(qū)的MOS管有：

　　為保證低噪聲放大器滿足較小的噪聲系數(shù),放大電路中的MOS管的柵長應(yīng)盡量選擇最小值,本工藝最小柵長為0. 13μm,所以,共源管M1 和共柵管M3 的柵長L1、L3 皆設(shè)為0. 13μm。在此情況下,改變共源管和共柵管的柵寬W1、W3 ,可以調(diào)整M1、M3的跨導(dǎo)gm1、gm3。根據(jù)共源共柵電路性質(zhì)可知,改變共源管和共柵管的跨導(dǎo)可以改變放大器的增益。本次設(shè)計(jì)采用1. 2 V電源電壓供電,為了保證一定的線性度,以及確保M1 柵源電壓Vgs1大于閾值電壓Vth (本工藝的Vth約為430 mV) ,選擇直流偏置電壓Vgs1為600 mV。對(duì)于工作于飽和區(qū)的MOS管,其漏極電流Id 表示為：

　　本次設(shè)計(jì)要求功耗限制為8 mW, 在偏置電壓Vgs1以及各工藝參數(shù)都已確定的情況下, 共源管M1和共柵管M3 的柵寬W1、W3 決定了該放大器的工作電流Id ,即決定了放大器的功耗。設(shè)計(jì)時(shí),在保證增益的前提下, 調(diào)整W1、W3 , 仿真得到半電路工作電流約為3 mA,即總電流約為6 mA,滿足指標(biāo)要求。