【原】【学术论文】一种应用于低电压GPS接收机的高线性度低噪声放大器

专栏特约主编：桂林电子科技大学 纪元法 教授

      纪元法，桂林电子科技大学信息与通信学院教授，长期从事卫星通信、卫星导航及数字信号处理研究工作，具有扎实的理论基础和丰富的实践经验。近年主持和参与“973”、"863"、国家自然科学基金、国防预研项目、国家重大专项－北斗示范应用项目、科技部中小企业创新基金等多项科研项目；获中国专利奖1项、广西技术发明一等奖1项、广西技术发明二等奖1项、广西科技进步二等奖1项、卫星导航定位科技进步二等奖1项、深圳市科技进步奖1项，广西发明成果奖金奖1项、广西发明成果奖银奖2项；为桂林市拔尖人才，国家自然科学基金、云南省科技厅、福建科技厅、广西科技厅项目评审专家；发表学术论文100余篇,EI、SCI收录20余篇；申请国家发明专利、实用新型专利40余项，软件著作权60多项。

专栏特约主编：中科院微电子所、中科院大学 巴晓辉 研究员

      巴晓辉，中国科学院微电子研究所研究员，中国科学院大学岗位教授，长期从事卫星导航算法及芯片设计研究。先后参与了863计划“高性能卫星导航芯片与移动芯片的集成技术”、中科院知识创新重大工程“新型定位系统接收机基带芯片设计”、中科院装发预研联合基金、自然科学基金、中科院交叉创新团队等项目。作为课题组长研发了多款卫星导航芯片，研发的航芯5号接收机获第14届高交会优秀产品奖。曾获中国科学院微电子研究所研究生喜爱的导师。在国内外重要学术刊物和会议上发表论文55篇，申请专利6项。

   摘 要 ： 

基于0.18 μm RFCMOS工艺，设计了一种应用于低电压GPS接收机的高线性度低噪声放大器。采用体偏压控制的跨导导数叠加技术，有效改善了低噪声放大器的线性度，显著提高了辅助管的调节精度。通过在输入端主放大管的栅源两端并联电容的方法，降低二次谐波对三阶交调失真的影响，进一步改善了线性度。同时，折叠式共源共栅的拓扑结构，降低了电路的工作电压。仿真结果表明，在0.9 V供电下，工作频率为1.575 GHz时，该低噪声放大器的输入三阶交调点为6.63 dBm，噪声系数为1.53 dB，增益为13.16 dB，输入回波损耗和输出回波损耗分别为-32.43 dB和-24.58 dB，功耗为8.78 mW。

中文引用格式： 陈利，刘艳艳. 一种应用于低电压GPS接收机的高线性度低噪声放大器[J].电子技术应用，2020，46(3)：10-13.
英文引用格式： Chen Li，Liu Yanyan. A high linearity LNA for low voltage GPS receiver[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(3)：10-13.

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引言

近些年来，随着无线通信系统技术的发展，越来越多的便携式电子产品向着低功耗、高集成度的方向发展。GPS服务因其能够实时追踪和导航的优点，现已成为无线通信设备不可或缺的功能^[1-3]。而低噪声放大器（LNA）作为GPS接收机前端的第一级有源器件，其性能显著影响着整个接收机的性能。因此对LNA噪声、功耗、线性度等性能指标提出了越来越严苛的要求。

GPS接收机接收到的信号非常微弱，尽管1 dB压缩点能够较为轻易地满足，但同样也要避免某些特定环境下由于干扰信号引入造成的非线性失真。例如军用或某些特定商业用途中，当人为干扰信号存在时，对GPS接收机的线性度要求会大大提高。本文在跨导导数叠加技术^[4]的基础上，采用体偏压控制的跨导导数叠加技术^[5]，数倍提高了补偿三次非线性系数辅助管的调节精度。通过在输入端主放大管的栅源两端并联电容的方法^[6]，降低二次谐波对三阶交调失真的影响，进一步改善了线性度。同时，采用折叠式共源共栅的拓扑结构^[7]，降低了电路的工作电压。

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消除三次非线性

MOS管的三阶非线性是LNA三阶交调失真的主要来源。工作在饱和区的共源级MOS管，其漏极电流i_d关于栅源电压v_gs的泰勒级数展开式为：

而跨导的非线性导致了共源级放大器的非线性。由共源级LNA的输入三阶交调点(IIP3)表达式^[8]：

    

可知，为了提高IIP3，应尽量减小三次非线性系数g_m3的值，即减小跨导g_m的二阶偏导g_m″的值。为此，有学者提出跨导导数叠加技术，其结构如图1所示，由主放大管Ma和辅助放大管Mb并联组成。主放大管的栅极电压V_bias1和辅助放大管的栅极电压V_bias1-Vshift分别确保主放大管Ma和辅助放大管Mb工作在强反型区和弱反型区。通过调整M1和M2的宽长比和偏置条件，使得主放大管Ma与辅助放大管Mb两者跨导的二阶偏导g_m″正负峰值对齐，如图2所示。从而令两者三次非线性系数之和接近于零，进而改善共源级LNA的线性度。

在此基础上，本文采用体偏压控制的跨导导数叠加技术如图3所示，主放大管M1和辅助放大管M2使用相同的栅压V_bias，根据阈值电压V_th的计算公式：

    

其中，V_th0是V_BS为0时的阈值电压，γ为体效应系数，φ_S为表面势参数，V_BS为衬源电势差，L₁与L₂组成滑动变阻器。通过调节V_BS的大小令辅助管M2工作在弱反型区。当辅助放大管M2分别由栅压V_bias1-V_shift和体偏压V_bs控制时，扫描各自的偏置电压V_bias1和V_bias。V_shift取值范围在0.08 V~0.23 V时，与V_bs取值范围在-0.30 V~-1.08 V时，两者都会得到由M2a到M2b一簇近似相同的曲线，如图4所示。即两种技术能够产生相同的补偿三次非线性系数的效果。尽管两种不同技术使得辅助管M2表现出相似的g_m″曲线，但采用体偏压控制的跨导导数叠加技术的控制电压V_bs的范围，是传统跨导导数叠加技术控制电压V_shift的5.2倍，因此能够在工艺、电压、温度变化的影响下，更为精准地调节g_m″的曲线。

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削弱二次非线性的影响

当在共源级LNA输入端输入频率相近的双音信号时，在输出节点产生的二次谐波，通过寄生的栅源电容和栅漏电容反馈路径，与输入信号再次由于跨导的二次非线性产生三次非线性项，进而恶化线性度。本文采用折叠式共源共栅的结构，大大削弱了通过栅漏电容反馈路径的影响，同时通过在主放大管栅源两端并联电容的方法，削弱了由于跨导二次非线性对LNA线性度的影响。

当考虑到二次非线性对线性度的影响时，共源级LNA的IIP3可以表示为^[6]：

     

其中，g_m是MOS管的跨导，ω为工作频率，L_s为源极简并电感，C_gs0为MOS管的栅源电容，C_add为MOS管栅源两端并联的电容，L_g为栅极电感。通过导数叠加技术，g_m″的影响可以近似忽略。在MOS管栅源两端并联电容C_add，式(5)中IIP3的分母g_m′项中由于C_add的引入，降低了二次非线性对三阶交调失真的影响，从而进一步改善线性度。

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电路设计

本文提出的应用于低电压GPS接收机的高线性度低噪声放大器结构如图5所示。主放大管M1与共栅管PM1组成折叠式共源共栅结构，降低了工作电压。输入端的主放大管M1管与L_s构成源简并电感结构，能够在窄带实现良好的输入匹配，同时获得较低的噪声系数。主放大管M1管与辅助放大管M2管利用体偏压控制的跨导导数叠加技术，能够极大地削弱三次非线性项gm2的影响，进而大幅改善低噪声放大器的线性度。C_add用于削弱二次非线性对LNA线性度的影响。M3、R₁、R₂与PM2、R₄分别为M1、M2与PM1提供偏置电压，L₂与C₂实现输出匹配。

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仿真结果与分析

基于TSMC 0.18 μm RFCOMS工艺，利用Cadence Spectre RF进行调试并仿真。在0.9 V工作电压下，最终测试的S参数如图6所示。S11与S22分别为-32.43 dB和-24.58 dB，LNA能够与前后级实现良好的匹配。S21为13.16 dB，能为GPS接收机在第一级提供足够的增益。测试的噪声系数如图7所示，LNA在工作频率1.575 GHz时的噪声系数为1.53 dB。最终测试的IIP3如图8所示，LNA的IIP3为6.63 dBm，在低电压下表现出较好的线性度。且LNA的功耗为8.78 mW，符合低功耗的设计要求。将本文设计的LNA与已发表的相关论文作对比，如表1所示。结果表明，本文设计的LNA在低电压条件下，噪声性能及线性度具有一定优势。

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结论

本文采用体偏压控制的跨导导数叠加技术在有效提高低噪声放大器线性度的基础上，数倍提高了g_m″的调节精度。通过增加补偿电容的方法，降低二次谐波对三阶交调失真的影响，进一步改善了线性度。同时采用折叠式共源共栅的拓扑结构，有效降低了工作电压。仿真结果表明，在0.9 V供电电压下，工作频率为1.575 GHz时，功耗为8.78 mW，IIP3为6.63 dBm，噪声系数为1.53 dB，同时该电路能够提供13.16 dB的增益，并能实现良好的输入输出匹配。

参考文献

[1] CHENG K W，NATARAJAN K，ALLSTOT D J.A current reuse quadrature GPS receiver in 0.13 μm CMOS[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2010，45(3)：510-523.

[2] HEIBERG A C，BROWN T W，IEZ T S，et al. A 250 mV，352 μW GPS receiver RF front-end in 130 nm CMOS[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2011，46(4)：938-949.

[3] WANG C，LIU J，LIAO H，et al.1.8 dB NF 3.6 mW CMOS active balun low noise amplifier for GPS[J].Electronics Letters，2010，46(3)：239.

[4] THACKER M B，AWAKHARE M，KHOBRAGADE R H，et al.Multi-standard highly linear CMOS LNA[C].International Conference on Electronic Systems，IEEE Computer Society，2014.

[5] DAI R，ZHENG Y，ZHU H，et al.A high gain and high linearity current‐reused CMOS LNA using modified derivative superposition technique with bulk-bias control[J].Microwave & Optical Technology Letters，2014，56(10)：2444-2446.

[6] JIN T H，KIM T W.A 5.5-mW 9.4-dBm IIP3 1.8-dB NF CMOS LNA employing multiple gated transistors with capacitance desensitization[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2010，58(10)：2529-2537.

[7] HSIEH H H，WANG J H，LU L H.Gain-Enhancement techniques for CMOS folded cascode LNAs at low-voltage operations[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2008，56(8)：1807-1816.

[8] RASTEGAR H，SARYAZDI S，HAKIMI A.A low power and high linearity UWB low noise amplifier(LNA) for 3.1-10.6 GHz wireless applications in 0.13 μm CMOS process[J].Microelectronic Journal，2013，44(3)：201-209.

[9] MECWAN A I，DEVASHRAYEE N M.Linearity improvement of LNA using derivative superposition：issues and challenges[C].International Conference on Cloud Computing，2017.

[10] 高丽娜，庞建丽.一种并发双频段CMOS LNA的分析与设计[J].电子技术应用，2018，44(12)：13-16.

[11] 宋飞，蔡俊，李杨，等.射频LNA的低噪声LDO电源设计[J].电子技术应用，2018，44(5)：29-32.

作者信息:

陈  利，刘艳艳

（天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室，天津300350）

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