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采用LC并联网络实现CMOS电流复用两级共源低噪声放大器的设计

归档日期:07-02       文本归类:反向复用      文章编辑:爱尚语录

  收发芯片的设计。低噪声放大器作为射频信号传输链路的第一级,整个系统的信噪比( SNR)很大程度上取决于低噪声放大器(LNA)的噪声系数(NF)和增益。因此,高性能的LNA成为射频前端设计的关键模块。其主要目的是提供较高的线性度以抑制干扰和防止灵敏度下降;提供足够高的增益使其可以抑制后续级模块的噪声以及良好的输入输出

  Inductive2degeneratecascade 结构式射频LNA设计中使用最广泛的结构之一,因为这种结构能够增加LNA的增益,降低噪声系数,同时增加输入与输出级之间的隔离度,提高稳定性。但是这种结构也有一些缺陷,首先它需要提供一个大感值的栅极电感,大电感不利于集成而且寄生阻抗比较大,相应产生热噪声也会比较大;而且共栅级的源端受到衬底寄生影响较大,导致信号损失,噪声系数恶化。为了实现低功耗的同时实现高增益,一种CS2CS cascaded电流复用结构得到了应用,第二级共享了第一级的偏置电流,第一级的输出通过一个连接到第二级晶体管的栅极上,电路结构反向隔离比较差,导致电路稳定性弱。通过引入一个级间谐振电感可以有效地改善这个问题,在低功耗的同时实现了高增益,改善了稳定性。

  本文采用LC并联网络来取代栅极大电感,降低噪声,节省芯片面积。同时采用了电流复用技术的两级共源结构,而且两级间采用了级联的谐振匹配网络来提高增益,降低功耗。第二部分从理论上分析了所采用的新型结构以及级间谐振电感的作用,第三部分设计了低噪声放大器电路并给出了仿真结果,最后一部分是结论。

  图1为传统的Inductive2degenerate cascade结构的输入匹配电路,这种结构在不恶化噪声性能的情况下很容易实现匹配,其等效小信号模型见图2,输入阻抗见式(1):

  从上式可以看出,要降低Lg ,有几种简单的方法,其一是增加输入管的宽度W,这样Cgs就变大,从而Lg下降,但是这样会增大漏极电流, 从而增加LNA的功耗,这显然是不符合低功耗的要求;另一种方法是在输入管的栅源端增加一个电容,但同样降低了输入端的品质因数, 降低了电路性能。还有一种是使用一个并联的LC网络来代替大电感,图3是LC并联网络及其等效电路,为了方便推导,我们将电感的模型等效为一个理想电感L1 和理想电阻R1 的串联。这个并联的LC网络的等效阻抗为:

  公式中是并联LC网络的谐振频率,ω为电路工作的频率。通过式( 2) ( 3) 可知, 当0

  如图4所示为一个包括级间耦合电容以及级间谐振电感的两级共源放大器结构, 这种结构受到衬底寄生效应比较小, 在提高增益的同时改善了稳定性。C3 是级间耦合电容,级间谐振电感Lg2用来与第二级MOS管的输入电容谐振, 这个感值可以采用中的方法来计算。

  图5是X 节点到Y 的节点之间的小信号等效电路图,其中RL g2是电感的寄生电阻, Cin2是包含了M2 管的栅源电容以及Miller电容, Leff是并联网络Ld1 , Cd1的等效电感, R2 是一个大电阻,为M2 管提供直流偏置,其影响很小可以忽略不计。从该小信号电路图可以得到第一级到第二级的电流增益的表达式,见式(4):

  考虑到s·Leff对射频电流来说是一个大的阻抗, 于是上式又可以简化为:

  上式表明通过级间耦合与级间谐振, 从第一级到第二级获得了可观的电流增益, 从而可以提高功率增益(例如在本设计中,ωT>

  20 GHz) 。

  采用改进的匹配结构以及级间耦合,基于SMIC0118μmRFCMOS工艺设计了一个频率为2. 4 GHz的低噪声放大器。如图6所示就是本文的电流复用两级共源低噪声放大器的拓扑结构。Ld1 ,Cd1和Ld2 ,Cd2分别是两极共源管的负载阻抗, R1 , R2 是两个大电阻分别给两极共源管提供偏压,取4 kΩ; C1 , C3 是大电容,起隔直的作用,C5 也是一个大电容,在M2 的源级作为一个旁路电容提供交流地; Lg1 , C2 ,Ld1 , Cd1这两个并联的网络取代大电感实现阻抗匹配,减小芯片面积。

  LNA的第一级对噪声影响至关重要, 根据文献中的功耗受限情况下放大管的最优栅宽计算公式来计算, 式中关于各个参数的定义见文献[ 3 ]:

  M2 管的栅宽一般为M1 的一半或者相同尺寸,这需要在抑制M2 的噪声贡献以及增益线 管提供偏压,一般取W1 = 10W3。为了限制整个电路的功耗, M3 的偏置电流为180 μA, 主体电路消耗1. 8 mA,整个电路共消耗2 mA,供电电压为1. 8 V。

  输入匹配按照式(7) 、式(8) ,其中Lg 是并联的LC网络等效感值,级间谐振电感按照文献[ 9 ]中的方法计算,值得注意的是, 因为密勒效应的影响, 输入匹配会受到级间匹配元件的影响, 因此需要反复调整各元器件的值以达到良好的匹配。

  本文提出了一种新型的全集成的电流复用两级共源低噪声放大器,采用了新型输入匹配以及感性级间匹配结构。为了降低芯片面积,两个LC 并联网络代替了传统的大电感。这种新型的电流复用结构更有利于输入匹配,降低噪声和功耗。采用SM IC0. 18 μm RF CMOS 工艺制作了一个频率为2. 4 GHz,噪声系数1. 7 dB, S11为- 30 dB, S22为- 36dB,功率增益为23 dB ,反向隔离度小于- 35 dB,在1. 8 V的供电电压下仅消耗2 mA 。

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  24 mA输出接收器和电源能力 所有三种逻辑状态(10μA)的近零静态电源电流大幅降低系统电源要求 Latchup性能超过250 mA ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

  信息 74LVC245A是一款高性能,非反相八通道收发器,工作电压为1.2V至5.5V。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载,而TTL兼容输出可提供更高的开关噪声性能。 5.5 V的V 规格允许从5V器件安全驱动74LVC245A输入。 74LVC245A适用于存储器地址驱动和所有面向TTL电平总线的收发器应用。 A和B端口的电流驱动能力均为24mA。发送/接收(T / Rbar)输入确定通过双向收发器的数据流的方向。发送(高电平有效)使能从A端口到B端口的数据;接收(低电平有效)使能从B到A端口的数据。输出使能输入,当为高电平时,通过将它们置于高电平状态来禁用A和B端口。 设计用于1.2至3.6 VV 操作 5 V容差 - 具有5 V TTL逻辑的接口功能 支持实时插入和拔出 I 规范保证V = 0 V 24 mA输出灌电流和电源能力 所有三种逻辑状态(10μA)的近零静态电源电流大幅降低系统电源要求 闩锁性能超过250 mA ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

  信息 74LVC126A是一款高性能,非反相四通道缓冲器,采用1.2至3.6 V电源供电。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载,而TTL兼容输出可提供更高的开关噪声性能。 5.5 V的VI规格允许从5.0 V器件安全驱动74LVC126A输入。 74LVC126A适用于存储器地址驱动和所有面向TTL电平总线的收发器应用。输出端的电流驱动能力为24 mA。输出使能(OEn)输入,当为高电平时,通过将输出置于高电平状态来禁用输出。 设计用于1.2至3.6 VV 操作 5.0 V容差 - 具有5.0 V TTL逻辑的接口功能 支持实时插入和拔出 I 规范保证VCC = 0 V时的高阻抗 24 mA输出接收器和电源能力 所有三种逻辑状态(10μA)的近零静态电源电流大幅降低系统电源要求 闩锁性能超过250 mA

  ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

  信息 74LVC373A是一款高性能,非反相八通道透明锁存器,采用1.2至3.6 V电源供电。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载,而TTL兼容输出可提供更高的开关噪声性能。 5.5 V的V 规格允许从5 V器件安全驱动74LVC373A输入。 74LVC373A包含8个D型锁存器,具有3态输出。当锁存使能(LE)输入为高电平时,Dn输入上的数据进入锁存器。在这种情况下,锁存器是透明的,即每次其D输入改变时锁存器输出将改变状态。当LE为低电平时,锁存器将存储在D输入端的信息存储在LE的高电平到低电平转换之前的建立时间。 3态标准输出由输出使能(OEbar)输入控制。当OEbar为LOW时,启用标准输出。当OEbar为高电平时,标准输出处于高阻态,但这不会干扰进入锁存器的新数据。 设计用于1.2至3.6 VV 操作 5 V容差 - 具有5 V TTL逻辑的接口功能 支持实时插入和取出 I 规范保证高阻抗时V

  = 0 V 24 mA输出接收器和电源能力 所有三种逻辑状态(10μA)的近零静态电源电流大幅降低系统电源要求

  闩锁性能超过250 mA ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

  信息 74LVC374A是一款高性能,非反相八通道D型触发器,工作电压为1.2V至3.6V。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载,而TTL兼容输出可提供更高的开关噪声性能。 5.5V的V 规格允许从5V器件安全驱动74LVC374A输入。 74LVC374A由8个边沿触发触发器组成,具有独立的D型输入和3态真输出。缓冲时钟和缓冲输出使能(OEbar)对所有触发器都是通用的。八个触发器将存储各个D输入的状态,满足低至高时钟(CP)转换的建立和保持时间要求。 OEbar为低电平时,输出端提供8个触发器的内容。当OEbar为高电平时,输出进入高阻态。 OEbar输入电平不会影响触发器的操作。 设计用于1.2至3.6 VV 操作 5 V容差 - 接口能力为5 V TTL逻辑 支持实时插入和取出 I 当V = 0 V 时,规格保证高阻抗 24 mA输出接收器和电源能力 所有三种逻辑状态(10μA)的近零静态电源电流大幅降低系统电源要求 闩锁性能超过250 mA ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

  74LVC07 低压CMOS六路缓冲器,具有漏极开路输出和5V容差输入

  信息 74LVC07A是一款高性能十六进制缓冲器,采用1.2 V至5.5 V电源供电。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载。这些LVC器件具有开漏输出,可提供设置输出电平,或执行高电平有效和低电平有效功能。 AV规格为5.5 V,允许从5.0 V器件安全驱动74LVC07A输入。 设计用于1.2 V至5.5 VV 操作 5.0 V容差输入/输出 兼容LVTTL LVCMOS兼容 24 mA输出接收能力 接近零静态电源电流(10μA)显着降低系统电源要求 闩锁性能超过250 mA 有线或,有线和 输出电平可在外部设置,不会影响设备速度

  ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

  74LVC06 低压CMOS六路反向器,具有漏极开路输出和5V容差I / O.

  信息 74LVC06A是一款高性能六角形逆变器,采用1.2 V至5.5 V电源供电。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载。这些LVC器件具有开漏输出,可提供设置输出电平,或执行高电平有效和低电平有效功能。 AV规格为5.5 V,允许从5.0 V器件安全驱动74LVC06A输入。 设计用于1.2 V至5.5 VV 操作 5.0 V容差输入/输出 32 mA输出吸收能力 近零静态电源电流(10μA)大幅降低系统电源要求 闩锁性能超过250 mA

  有线连接,有线连接 可在不影响设备速度的情况下在外部设置输出电平 与LCX05功能兼容 ESD表现:人体模型

  2000 V;机器型号

  信息 74LVC00A是一款高性能,四路2输入与非门,工作电压为1.2V至3.6V。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载,而TTL兼容输出可提供更高的开关噪声性能。 AV规格5.5V允许74LVC00A输入从5V器件安全驱动。输出电流驱动能力为24mA。 设计用于1.2 V至3.6 VV 操作 5 V容差输入 - 具有5 V TTL逻辑的接口功能 24 mA输出接收器和电源能力 接近零静态电源电流(10μA) )大幅度降低系统电源要求 闩锁性能超过250 mA ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

  信息 74LVC04A是一款高性能六角形逆变器,采用1.2至3.6 V电源供电。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载,而TTL兼容输出可提供更高的开关噪声性能。如果VCC小于5.0 V,则5.5 V的VI规格允许从5 V器件安全驱动74LVC04A输入。输出端的电流驱动能力为24mA。 设计用于1.2 V至3.6 VV 操作 5.0 V容差输入 - 具有5.0 V TTL逻辑的接口功能 24 mA输出接收器和源功能 接近零静态电源电流(10μA)大幅降低系统电源要求 闩锁性能超过250 mA ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

  信息 74LVC02A是一款高性能,四路2输入NOR门,工作电压为1.2V至3.6V。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载,而TTL兼容输出可提供更高的开关噪声性能。 AV规格5.5V允许74LVC02A输入从5V器件安全驱动。输出电流驱动能力为24mA。 设计为1.2 V至3.6 VV 操作 5 V容差输入 - 具有5 V TTL逻辑的接口功能 24 mA输出接收器和电源能力 接近零静态电源电流(10μA) )大幅度降低系统电源要求 闩锁性能超过250 mA ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

  信息BF256B 该器件设计用于VHF/UHF放大器。 采用工艺50设计。

  信息BSR58N沟道低频低噪声放大器 该器件设计用于采用工艺51的低功率斩波器或开关应用

  信息BSR56N沟道低频低噪声放大器 该器件设计用于采用工艺51的低功率斩波器或开关应用

  信息优势和特点 低漂移:2.0 µV/°C (AD522B) 低非线) 高共模抑制比(CMRR):110dB (G = 1000) 低噪声:1.5 µV(峰峰值,0.1 Hz至100 Hz) 低初始VOS: 100µV (AD522B) 单电阻增益可编程:1≤G≤1000 输出基准电压与检测引脚 具有数据防护功能,可改善交流共模抑制 内部补偿 除增益电阻外,无需其它外部器件 失调、增益和共模抑制经过有源调整产品详情AD522是一款精密IC仪表放大器,针对要求在最差工作条件下提供高精度的数据采集应用而设计。高线性度、高共模抑制、低电压漂移与低噪声等特性的出色组合,使该器件适合用于许多12位数据采集系统中。在过程控制、仪器仪表、数据处理和医疗测试等应用中,通常采用仪表放大器作为电阻传感器(热敏电阻、应变计等)的电桥放大器。工作环境通常信噪比低、温度起伏不定、输入阻抗不平衡,并且处于远程位置不便重新校准。...

  CAT25128 128-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

  信息 CAT25128是一个128 kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为16kx8位。它具有64字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25128设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。片上ECC(纠错码)使该器件适用于高可靠性应用。适用于新产品(Rev. E) ) 20 MHz SPI兼容 1.8 V至5.5 V操作 硬件和软件保护 低功耗CMOS技术 SPI模式(0,0和1,1) 工业和扩展温度范围 自定时写周期 64字节页写缓冲区 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或全部EEPROM阵列 1,000,000编程/擦除周期 100年数据保留

  8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘TDFN,UDFN封装 此器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准 具有永久写保护的附加标识页...

  CAT25256 256-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

  信息 CAT25256是一个256 kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为32kx8位。它具有64字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。输入可用于暂停与CAT25256设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。片上ECC(纠错码)使该器件适用于高可靠性应用。适用于新产品(Rev. E) ) 20 MHz(5 V)SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0)和(1,1) ) 64字节页面写缓冲区 具有永久写保护的附加标识页(新产品) 自定时写周期 硬件和软件保护 100年数据保留 1,000,000编程/擦除周期 低功耗CMOS技术 块写保护

  - 保护1 / 4,1 / 2或整个EEPROM阵列 工业和扩展温度范围 8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘UDFN和TDFN封装 此器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准...

  信息 CAT25040是一个4-kb SPI串行CMOS EEPROM器件,内部组织为512x8位。安森美半导体先进的CMOS技术大大降低了器件的功耗要求。它具有16字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25040设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。 20 MHz(5 V)SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0和1,1) 16字节页面写入缓冲区 自定时写入周期 硬件和软件保护 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或整个EEPROM阵列 低功耗CMOS技术 1,000,000编程/擦除周期 100年数据保留 工业和扩展温度范围 PDIP,SOIC,TSSOP 8引脚和TDFN,UDFN 8焊盘封装 这些器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准...

  信息 CAT25080 / 25160是8-kb / 16-kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为1024x8 / 2048x8位。它们具有32字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25080 / 25160设备的任何串行通信。这些器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。 10 MHz SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0和1,1) 32字节页写缓冲区 自定时写周期 硬件和软件保护 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或全部EEPROM阵列 低功耗CMOS技术 1,000,000个编程/擦除周期 100年数据保留 工业和扩展温度范围 符合RoHS标准的8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘TDFN,UDFN封装...

  AD558 电压输出8位数模转换器,集成输出放大器、完全微处理器接口和精密基准电压源

  信息优势和特点 完整8位DAC 电压输出:两种校准范围 内部精密带隙基准电压源 单电源供电:+5 V至+15 V 完全微处理器接口 快速建立时间:1 ±s内电压达到±1/2 LSB精度 低功耗:75 mW 无需用户调整 在工作温度范围内保证单调性 规定了 Tmin至Tmax的所有误差 16引脚DIP和20引脚PLCC小型封装 激光晶圆调整单芯片供混合使用产品详情AD558 DACPORT®是一款完整的电压输出8位数模转换器,它将输出放大器、完全微处理器接口以及精密基准电压源集成在单芯片上。无需外部元件或调整,就能以全精度将8位数据总线与模拟系统进行接口。这款DACPORT器件的性能和多功能特性体现了近期开发的多项单芯片双极性技术成果。完整微处理器接口与控制逻辑利用集成注入逻辑(I2 L)实现,集成注入逻辑是一种极高密度的低功耗逻辑结构,与线性双极性制造工艺兼容。内部精密基准电压源是一种取得专利的低压带隙电路,采用+5 V至+15 V单电源时可实现全精度性能。薄膜硅铬电阻提供在整个工作温度范围内保证单调性工作所需的稳定性(所有等级器件),对这些薄膜电阻运用最新激光晶圆调整技术则可实现出厂绝对校准,误差在±1 LSB以内,因此不需要用户进行增...

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