寬帶CMOS可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)

第28卷第12期2007年12月半導(dǎo)體學(xué)報(bào)CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSVol.28No.12Dec.,2007寬帶CMOS可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)郭峰李智群陳東東李海松王志功(東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所,南京210096)3μmRFCMOS.電路采摘要:采用TSMC0118用兩級(jí)結(jié)構(gòu),前級(jí)采用電壓并聯(lián)負(fù)反饋的Cascode電路實(shí)現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào).,電路中,由于漏源電的對(duì)數(shù)增益隨控制電壓呈線性變化.,,電流為9mA,3dB帶寬為430～2330MHz.-35,612dB,最小增益下輸入1dB壓縮點(diǎn)為-9dBm.關(guān)鍵詞:CMOS;寬帶;指數(shù)線性控制EEACC:1220中圖分類號(hào):TN72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):025324177(2007)12219672051引言在無(wú)線通信系統(tǒng)中,由于各種因素的影響,接收機(jī)接收到的信號(hào)往往會(huì)有較大的強(qiáng)弱變化.這就需要設(shè)計(jì)一種電路,它能根據(jù)輸入信號(hào)的大小變化調(diào)節(jié)接收機(jī)的增益,使用可變?cè)鲆娣糯笃骺梢栽诓粣夯到y(tǒng)線性度和噪聲的情況下有效地提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍,使系統(tǒng)輸出端維持一個(gè)穩(wěn)定的輸出信號(hào),以方便后面基帶部分的處理.μmRFCMOS工藝實(shí)現(xiàn)本文采用TSMC0118了一種寬帶可變?cè)鲆娣糯笃?該電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)增益隨控制電壓連續(xù)、線性變化,具有良好的噪聲和線性性能.增益連續(xù)可調(diào).電路中差分對(duì)管M1,M2為工作在飽和區(qū)的共源放大器,負(fù)責(zé)將輸入端的射頻電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l電流信號(hào)并提供增益.信號(hào)相加式可變?cè)鲆娣糯笃魍ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)控制電壓Vcont,改變Vcont和參考電壓Vref之間的電壓差,調(diào)節(jié)信號(hào)電流在M3,M4與M5,M6之間的分配,以實(shí)現(xiàn)增益的單調(diào)連續(xù)可調(diào).nMOS管M3～M6工作在共柵狀態(tài),如圖2所示,其傳輸函數(shù)表示為[2]:2電路設(shè)計(jì)2.1可變?cè)鲆鎲卧娐返脑O(shè)計(jì)可變?cè)鲆娣糯笃靼凑赵鲆孀兓绞降牟煌梢苑譃樵鲆娌竭M(jìn)變化的可編程增益放大器(program2mablegainamplifier,PGA)和增益連續(xù)變化的可變?cè)鲆娣糯笃?variablegainamplifier,VGA).PGA使用數(shù)字電路控制增益變化,雖然簡(jiǎn)化了控制電路的設(shè)計(jì),但是增益是離散的.VGA使用模擬信號(hào)控制增益,增益可以連續(xù)變化,因此可以避免因增益突變而造成調(diào)制信號(hào)的接收解調(diào)錯(cuò)誤.本次設(shè)計(jì)的可變?cè)鲆娣糯笃鞑捎眯盘?hào)相加式結(jié)構(gòu)[1],如圖1所示.該結(jié)構(gòu)使用模擬信號(hào)控制增益,3東南大學(xué)射光所與安宇科技合作項(xiàng)目通信作者.Email:guofeng99cn@2007206208收到,2007207223定稿圖1信號(hào)相加式可變?cè)鲆娣糯笃鱂ig.1Signal2summingvariablegainamplifierΖ2007中國(guó)電子學(xué)會(huì)1968半導(dǎo)體學(xué)報(bào)第28卷圖3信號(hào)相加式可變?cè)鲆鎲卧Y(jié)構(gòu)圖2Fig.22structureFig.3Signal2summingvariablegainstructure=×VIN(s)1+(gm+gmb)RsGI=1+W1Vref-VS-VTH11+gm+gmb+Rs-1(1)s(1+RDCDs)由于當(dāng)x<012時(shí),≈1-x.因此當(dāng)1+x(3)因?yàn)閭鬟f函數(shù)中沒(méi)有電容的彌勒乘積項(xiàng),因此信號(hào)相加式結(jié)構(gòu)具有較好的高頻性能.2.2控制電壓轉(zhuǎn)換電路<012W1Vref-VS-VTH1時(shí),有GI≈1-=W1Vref-VS-VTH1在射頻電路中放大器的增益通常用對(duì)數(shù)表示,以dB為單位,為了使外部控制信號(hào)能夠有效方便地控制增益,因此需要放大器的對(duì)數(shù)增益能夠隨控制電壓線性變化,也就是說(shuō),增益要隨控制電壓呈指數(shù)變化.對(duì)于雙極型工藝,利用雙極型晶體管固有的基極2發(fā)射極電壓與集電極電流之間的指數(shù)關(guān)系可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)增益與控制電壓的線性關(guān)系.而對(duì)于CMOS工藝而言,工作在飽和區(qū)的長(zhǎng)溝道MOS管,其漏源電流和柵源電壓成平方關(guān)系而非指數(shù)關(guān)系,因而需要為可變?cè)鲆娣糯笃鳂?gòu)造一個(gè)控制電壓轉(zhuǎn)換電路,以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)增益隨控制電壓呈線性變化的特性.首先分析信號(hào)相加式可變?cè)鲆娣糯笃髟鲆骐S控制電壓的變化特性.信號(hào)相加式可變?cè)鲆鎲卧鐖D3所示.其電流增益為[1]:GI==Iingm,M1+gm,M2(Vref-VS-VTH1)L1(Vcont-VS-VTH2)L2(2)×(VCC-Vcont)+W1(Vref-VS-VTH1)1-W1Vref-VS-VTH1=1W1Vref-VS-VTH1(4)當(dāng)滿足條件時(shí),有GI≈α(VCC-Vcont)>0α=其中.W1(Vref-VS-VTH1)(5)由公式(5)可知,電路的電流增益與Vcont呈線性關(guān)系.為了使電路的指數(shù)增益與控制電壓呈線性關(guān)系,必須外加具有指數(shù)特性的控制電壓轉(zhuǎn)換電路.電路結(jié)構(gòu)如圖4所示.M1和M2管工作在飽和區(qū),有g(shù)m,M1=μnCoxgm,M2=μnCoxL1L2μμ其中=,因此有圖4控制電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.4Switchingcircuitofcontrolvoltage第12期郭峰等:寬帶CMOS可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)1969電路中nMOS管M1和M2構(gòu)成共源共柵放大器,M1管提供增益,M2管降低了Miller效應(yīng).共源nMOS管M3作反饋實(shí)現(xiàn)寬帶匹配.電路的輸入阻抗為:Zin==∥ωCPIin1+AV(9)圖Fig.5inputstage圖中的M0管為pMOS管,工作于線性區(qū),采用共源極連接方式.(VCC-Vcont)L0=-gm,M0R3dVCR1+R2(Vcont-VCC)=pCoxR1+R2L0=K2(Vcont-VCC)其中K2=>0.pCoxR1+R2L0對(duì)(6)式進(jìn)行整理,有=K2dVC(VCC-Vcont)ln(VCC-Vcont)=K2VC+Cgm,M0=μpCoxVCC-Vcont=e將(7)式代入(5)式,可得K2VC+C(6)其中AV為共源共柵放大器的開(kāi)環(huán)增益.當(dāng)時(shí),選取合適的gm3,1+P..其電路噪[3]:2γ1+F≈1++1+AV4gm1Rinγ(10)+4(1+AV)4Rin(1+AV)2γγ其中1,2分別為M1,M2的噪聲因子.上式中的第二項(xiàng)為M1管貢獻(xiàn)的噪聲,其中管子的等效輸入噪聲電壓通過(guò)負(fù)反饋環(huán)路得到一定的抵消.上式中的第三項(xiàng)為M2管貢獻(xiàn)的噪聲,如果AV足夠大則其可以忽略不計(jì).第四項(xiàng)是由電阻RL貢獻(xiàn)的噪聲.根據(jù)公式(9)和(10)可以看出,電路的輸入阻抗是由反饋管M3的gm3,RL和AV共同決定的,而電路的噪聲系數(shù)則是由共源2共柵管M1,M2和RL決定的,因此該電路結(jié)構(gòu)可以分別優(yōu)化輸入匹配和噪聲系數(shù),在輸入匹配和噪聲性能之間獲得很好的折中.(7)3測(cè)試結(jié)果本次設(shè)計(jì)的可變?cè)鲆娣糯笃鞑捎肨SMCμmRFCMOS工藝進(jìn)行制造.芯片照片如圖60118所示.由于芯片設(shè)計(jì)時(shí)未使用任何電感,因而芯片面積小,制造成本低.芯片面積為757mm×540mm.芯片測(cè)試地點(diǎn)為東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所測(cè)試室.測(cè)試采用在片測(cè)試方案,主要測(cè)試設(shè)備為Cascade探針臺(tái)、高頻探針、Agilent網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071B和頻譜分析儀E4440A.測(cè)試環(huán)境溫度為27℃.對(duì)數(shù)增益隨控制電壓變化的測(cè)試結(jié)果如圖7所示.當(dāng)控制電壓VC在0～117V范圍內(nèi)時(shí),電路的對(duì)數(shù)增益與控制電壓VC呈相當(dāng)好的線性關(guān)系.其動(dòng)態(tài)范圍為-313～915dB.圖8為放大器對(duì)數(shù)增益在不同頻率上的測(cè)試結(jié)果.結(jié)果表明:放大器3dB帶寬為430～2330MHz.測(cè)試結(jié)果總結(jié)于表1.GI=αe2CGI(dB)=K3+K4VCα+10Clge;K4=10K2lge.其中K3=10lgKV+C(8)通過(guò)以上推導(dǎo)可以得出結(jié)論:在增加了控制電壓轉(zhuǎn)換電路之后,只要調(diào)節(jié)參數(shù)使(4)式和(5)式成立,就能使電路的對(duì)數(shù)增益隨著控制電壓VC呈線性變化.2.3輸入匹配電路的設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆娣糯笃鞯膶拵匦?需要在輸入端進(jìn)行寬帶匹配設(shè)計(jì).由于整個(gè)電路的噪聲取決于第一級(jí)放大器,所以第一級(jí)放大器噪聲要盡可能的低.本次設(shè)計(jì)選取能同時(shí)獲得良好匹配和噪聲性能的并聯(lián)2串聯(lián)式反饋結(jié)構(gòu).設(shè)計(jì)中以源極跟隨器做有源反饋,以Cas2code結(jié)構(gòu)作為輸入級(jí)放大電路,該電路結(jié)構(gòu)如圖5所示.1970半導(dǎo)體學(xué)報(bào)表1電路測(cè)試結(jié)果第28卷Table1Resultsofmeasurement測(cè)試環(huán)境溫度/℃工作電壓/V直流功耗/mA工作頻率/MHz控制電壓范圍/V增益范圍/dB/壓縮點(diǎn)/dBm最大增益下最小增益下271.89430～23300.1～1.7-3.3～9.56.27@1220MHz7.85@1220MHz-7@1220MHz-9@1220MHz50100差分輸入阻抗/Ω差分輸出阻抗/Ω4結(jié)論本文介紹了一種基于CMOS工藝的新型可變?cè)鲆娣糯笃?放大器以信號(hào)相加式可變?cè)鲆娼Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),外加指數(shù)特性的控制電壓轉(zhuǎn)換電路,構(gòu)成一種新穎的可變?cè)鲆娣糯笃?測(cè)試結(jié)果表明,電路功耗為1612mW,3dB帶寬為430～2330MHz,增益動(dòng)態(tài)范圍為-313～915dB,實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)增益隨控制電壓線性、連續(xù)變化,具有良好的噪聲和線性性能.參考文獻(xiàn)[1]OtakaS,TakemuraG,TanimotoH.Alow2powerlow2noiseaccuratelinear2in2dBvariable2gainwith500MHzband2width.IEEEJSolid2StateCircuit,2000,35(12):1942[2]RazaviB.DesignofanalogCMOSintegratedcircuits.Xi’an:Xi’anJiaotongUniversityPress,2003:312[3]AnderssonS,SvenssoneC,DruggeO.WidebandLNAforaμmCMOS.Proceed2multistandardwirelessreceiverin0118ingsofESSCIRC,Estoril,2003:655第12期郭峰等:寬帶CMOS可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)1971DesignofaWidebandCMOSVariableGainAmplifier3GuoFeng,LiZhiqun,ChenDongdong,LiHaisong,andWangZhigong(InstituteofRF2&OE2ICs,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Thispaperpresentsthedesignofavariablegainamplifierwithwidebandandlinear2in2dBgaincontrolbasedonaμmRFCMOSprocess.Thecircuitoftheamplifierconsistsoftwogainstages.Thefirststageisacascodeampli2TSMC0.18fierwithvoltage2shuntnegativefeedbackforgood