第31卷第1期遥测遥控Vo.l31,.12010年1月JournalofTelemetry,TrackingandCommandJanuary2010一种用于便携式GPS接收机射频芯片的低功耗低噪声放大器*夏温博,张晓林,宋丹(北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191摘要:针对便携式GPS系统对低功耗射频前端的需求,基于SMIC180nm1P6MRFCMOS工艺提出一种具有单端转差分功能的低功耗低噪声放大器。为了实现低功耗的目标,低噪声放大器的晶体管均被偏置在中等反型区。考虑ESD保护和焊盘寄生效应,后仿真结果显示,在最差工艺角情况下,增益为19dB,三阶交截点为-14dBm,噪声系数为42dB,输入回损为-8dB。在07V供电电压下,功耗为1mW,增益功耗比为19dB/mW,十分适合应用在便携式手持GPS领域。关键词:低噪声放大器;中等反型;CMOS;射频集成电路;低功耗:TN402文献标识码:A:CN111780(201001001106引言GPS全球定位系统已经对当今世界产生了相当大的影响,并被广泛应用于军事、地质、勘探、测量、搜救、导航和个人定位服务等诸多领域。GPS的硬件系统从本质上来说是一个射频接收机。在射频集成电路设计和工艺技术的推动下,几乎所有的射频接收机系统(比如典型的GSM、Blue-tooth、ZigBee等都朝着系统集成(SOC和低功耗的方向发展。GPS系统也不例外。如今,越来越多的移动数码产品都集成了GPS功能。这些以电池供电的便携式射频接收设备对芯片的功耗提出了很高的要求。例如,目前集成了低噪声放大器LNA(LowNoiseAmplifier、混频器、滤波器、频率综合器的商用GPS射频前端芯片的功耗都在30mW以下。在GPS系统中,LNA的功能是接收从天线传输过来的信号并加以放大。由于天线接收到的信号十分微弱,因而LNA必须有较高的增益和较低的噪声系数,以尽量降低信号载噪比的恶化。LNA的性能在很大程度上决定了接收机的灵敏度和系统的整体性能。所以说,研究具有较高增益、较低噪声系数和低功耗的LNA,对GPS系统的小型化、便携化具有重要的意义。近年来Nguyen等人提出了PCSNIM(PowerConstrainedSimultaneousNoiseandInputMatching技术[1],其LNA的MOS管处于强反型区,可以在一定功耗约束下,使增益和噪声系数达到最优。但工作在强反型区的MOS管不同于工作在中等反型区的MOS管,前者的源漏电流为漂移电流,后者为扩散电流。正因为如此,前者相对于后者来说,其源漏电流很大,对应有较大的功耗,所以并不是十分适合应用在对功耗要求很高的便携系统中。为了在增益和噪声系数优化的同时,尽量降低功耗,本文提出了一种在中等反型区实现同时优化功耗、增益、噪声系数的设计方法,并采用SMIC018m1P6MRFCMOS工艺实现了一个具有单端转差分功能的低噪声放大器,使得采用该LNA的GPS接收机无需板载有插入损耗的巴伦变换器,可使整个接收机系统的噪声系数进一步降低。*基金项目:国防科工委民用航天专项资助项目收稿日期:20090522收修改稿日期:200907201基于中等反型MOS管的LNA优化设计图1使用PCSNIM技术的LNA结构Nguyen等人提出的PCSNIM方法是在典型的共源共栅结构基础上,再在共源管的栅极和源极之间增加一个并联电容[1],如图1所示,使得在一定功耗约束下,在LNA的输入端可同时做到噪声匹配和最大功率传输匹配。如图1结构LNA的设计参数的优化约束方程为[1]1CgsAA2+B2=50(1gmLsCgs+C1=50(2=1(Lg+Ls(Cgs+C1(3其中,A=!5(1-|c|2∀,B=Cgs+C1Cgs+|c|!5∀。Cgs为M1管的等效栅源电容,gm为M1管的跨导,为设定的工作频率,、!、∀、c为只与工艺有关的常数。优化约束方程(1、(2、(3的独立自变量有四个[1]:gm、Cgs、C1和Ls,而约束方程只有三个,故此约束方程组将得到一个解集。如果再给定一个功耗为定值的条件,PCSNIM方法将得到一组定解[2]。但是,在通常的集成电路设计中,对模块指标的要求只给出最大值,而实际要求往往是在满足其他指标的情况下,期望将功耗降到最低,即取最小值。因此,本文提出增加一个约束条件:Minimize(VddID。其中,Vdd为电源电压,ID为M1管的漏极电流。这时,约束条件变成了四个,从理论上可以找出最小功耗下的设计参数,但由于上述约束条件是隐式,所以无法通过解联立方程来得到设计参数的解析解。由于M1管的源漏电流ID、跨导gm和截止频率T分别可以用来衡量图1所示的LNA的功耗、增益和频率特性,综合考虑降低功耗带来...