一个利用线性区MOS管补偿的射频放大器
2023-06-12
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维普资讯 http://www.cqvip.com 第26卷 第l期 固体电子学研究与进展 Vo1.26,NO.1 2006年2月 RESEARCH&PROGRESS OF SSE Feb..2006 射频与微波 。 一 一个利用线性区MOS管补偿的射频放大器’ 曹 克 杨华中 汪 蕙 (清华大学电子工程系。北京,100084) 2005 03—14收稿.2005—05—18收改稿 摘要:研究了一种采用线性化技术的低电压CMOS射频放大器 电路中.并联一个工作在线性区的MOS管来 提高其线性 采用SMIC的0.18 tam工艺,流片测试结果显示,该电路用很小的功耗代价将放大器的输入三阶交截 点功率提高了大约5 dB。 关键词:互补金属氯化物半导体}低电压;射频;线性度;放大器 中图分类号:TN432;TN722.3” 文献标识码:A 文章编号:100o一3819(2006)01—038—05 A RF Amplifier Compensated by Triode MOSFET CAO Ke YANG Huazhong WANG Hui (Department of Electronic Engineering,Tsinghua University,BeOing.1 00084・CHN) Abstract:A low—voltage CMOS radio frequency amplifier using linearizing technique was presented in which a parallel MOSFET in the triode region is used to boost the linearity.The circuit was fabricated with SMIC 0.18 m process.Measurements showed that the input—referred 3rd—order intercept point was improved by,~5 dB at the cost of little addition of power dissipation. Key words:CMOS;low-voltage;radio frequency;linearity;amplifier EEACC:1220;257OD 态时,理论上存在一个理想的工作点(“sweet 1 引 言 sport”),此时MOS管的三阶非线性几乎为零[4j,但 是由于其频率特性受限,并且极易受到各种因素、特 随着CMOS工艺的尺寸缩小,由于其经济性, 别是工艺的涨落的影响而偏离理想的工作点,因此 射频SoC(System on—Chip)成为不可避免的选择。 实际中很少将MOS管这样运用,而是采用线性化技 为了实现SoC,低电压的射频前端电路必不可少,已 术来提高电路的IIP 。 经引起了广泛的重视。同时,随着宽带无线通信的发 采用文献[5,6]中提出的前馈线性化技术可以 展,射频前端中的低噪声放大器必须具有较高的动 提高电路的线性度,但是却要付出较大的功耗代价 态范围[1],也就是较低的噪声、较高的输入三阶交截 来实现前馈补偿支路。在分立器件放大器电路中,根 点功率"P3(input referred 3rd—order interception 据Voherra级数分析可以利用不同的带内和带外阻 point)。这就意味着在设计中必须在增益、噪声、线 抗特性来实现电路的线性化[7叫] 但是,在低于5 性度以及功耗等指标中寻求合理的折衷[2 ]。 GHz频段的SoC中,这种方法很难在片上实现。使 尽管当M0S管栅源电压偏置处于中等反型状 用偏置在亚阈区的MOS管进行补偿实现线性化的 +基金项目:国家自然科学基金(600251O1、90207001、90307016)及863计划(2o03AA1Z1390) E mail:caoke@ieee.org 维普资讯 http://www.cqvip.com 1期 曹 克等:一个利用线性区MOS管补偿的射频放大器 电路[io,11 的缺点是,亚阈区工作的器件频率受限, 并且需要采用隔直电容。采用线性区工作的MOS管 补偿技术线性化_1 J贝0没有上述缺点,能够以较小的 代价提高射频放大器的线性度[1引。 在本文的第二部分,提出了一个采用线性区工 作的M0S管提高电路线性度的折叠式共源共栅放 大器,分析了其原理和设计中需要注意的问题。在随 后的部分,设计两个放大器电路,其中一个是经典的 结构,另一个采用了本文中的补偿技术。仿真对比了 两个电路的线性度。第四部分给出了采用SMIC的 0.18/am工艺流片测试结果,验证了本文的分析和 “结 2 线性区MOS管补偿原理 如图1(a)所示是经典的折叠型共源共栅放大 器[141示意图,其中 是射频输入信号, 是输出射 频信号。如果共栅输出级M2的输入阻抗较小,则整 个电路的非线性主要决定于电感源极负反馈输入级 的非线性。在源极负反馈结构中,栅级电感 带来 电压增益的同时也使电路线性度下降。由输入阻抗 匹配条件,栅极电感 和源极电感L 的大小决定了 MI的尺寸和偏置n引。图1(a)中电路的非线性主要 来源于M1的非线性,如果忽略电抗元件的记忆性, 可以采用幂级数近似的方法来分析。假设M1晶体 管满足弱非线性条件,则其小信号漏极电流 a。可以 表示为 一gl・ + 1 g ・口 +吉g。・口3铲+…(1) 其中, 。是M1栅源之间的小信号电压。 (a) (b) 图1 折叠结构的电感源极负反馈共源共栅射频放大器 示意图 Fig.1 Schematic of folded source degeneration cascode amplifier 在频率不太高的情形下,g 就等于MOS管的 跨导g ,而g 、g。则分别是漏极电流对于栅源电压的 二阶、三阶导数。在幂级数近似下,电路的三阶交截 点输入功率正比于MOS管的g 和g。之比。即 ∞ l_g2。 lc2 上面(2)式中的比例系数由电路中的栅极和源极 电感以及信号源内阻(图1中未画出)的大小决定u 。 图2所示是MOS管的直流转移特性及其各阶导数的 示意图,其中 是M1栅源之间的直流电压。从中可 以看到,g。特性曲线上在阈值电压附近存在一个过 零点(即前文所提到的“sweet spot”),当栅源电压偏 置在这点时,MOS管和放大器的lip。理论上可以很 大。但是由于这个偏置点易随工艺变化等偏移.截止 频率较低,因此很少采用。相反,为了获得高增益、低 噪声,通常MOS管偏置在阈值电压100n200 mV以 上,而这个偏置点却恰恰位于g 曲线上的负峰附近, 如图2所示。这将大大降低放大器线性度。 L . & g,(M1) / ̄(M1)/ (MI) \ 删A .../一 一 一 图2 MOS管直流 一 特性及其各阶导数示意图 Fig.2 DC I-V characteristic and its derivatives of MOSFET 为了提高g /g。之比,可以利用辅助支路来消 除g。曲线上的负峰,同时使g 略微增大,如图1(b) 所示。其中M1是主放大支路,而辅助支路中的MA1 工作在线性区,MA2则工作在饱和区。此时,放大器 的三阶交截点输入功率 。c l g l(M而1 )+丽gl(MA 1)l(3) 通过设置辅助支路中MOS管的尺寸和偏置点, 可以使辅助支路的g 、g。曲线如虚线所示。这样就 可以抵消主支路的负峰,这样M1和MA1合成的g 曲线在所需的偏置点附近为零,并且相对平坦,使 (3)式中的分母非常接近于零。同时组合后的g 由 于MA1和M1两路相加增大,(3)式中的分子增大。 g 和g 一增一减,放大器的线性度将会增大。由于 电路中的非理想因素,实际上电路的线性度改善是 有限的。 为了保证MA1工作在线性区,将MA2与之串 维普资讯 http://www.cqvip.com 40 固体电子学研究与进展 26卷 联,这样MA1的偏置状态就由VB电压控制。为了 提高线性度,需要使组合的g。曲线中在其工作点附 **坦的范围尽可能大。这需要合理优化MA1和 MA2的尺寸以及VB电压。为了减小辅助支路的延 迟、增大增益,MA1器件的沟道尺寸可以选择为短 3 电路仿真结果 采用SMIC的0.18 m RF CMOS库设计了两 个放大器。其中之一是经典的折叠型共源共栅放大 且宽。且为了降低其源极的直流电位,MA2可以选 用稍长的沟道尺寸。 器,记作ST,其M2的沟道长度为0.24 m;另一个采 用了本文中提到的补偿技术,M2的沟道长度为 因为亚阈值导电的跨导小,因此本文中线性区 0.36 m,记作I A,分别如图l(a)和(b)所示。电路中 MOS管补偿的线性化技术相比于使用亚阈区MOS 管补偿技术更加优越,可以工作在更高的频率。 为了更好地利用这种补偿技术,要尽量减小M1 漏极处的电压增益,因为上述分析都是基于漏极到 M1和MA1的栅极输入端不存在反馈回路的假设。 由于Miller效应和沟道调制效应,在M1漏极处过高 的电压会使MOS管的非线性行为复杂化。此外,当 M2源极电压增大时,M2器件的非线性也会影响整 个电路的非线性。 要减小M1的漏极电压增益,最佳办法就是减 小从M2源极看进去的阻抗,因为它与并联I C谐振 回路一起构成了M1的负载。Volterra级数分析也 显示,这有助于提高线性度[ ]。 经过简单的计算,可以得到共栅接法的M2的 输入阻抗的实部为 上7 Re(Z. )一 — (4) gm ̄'ds 其中, 是其漏极输出电阻,而Z 则是其漏极负载 (这里假设为实数)。因此,在图1(a)中MI漏极电压 增益为 A = .gIld~g .1(rd +ZL) 一 (5) g。gm,2rd‘,2 如果在式(5)分子中r山,。占主要地位,则简单地 增大g , 就可以减小增益。不过,在图1的电路中, M2的负载为电感,因此z 通常占主要地位,或者至 少与rd。,z可比。当沟道长度和栅极偏压固定时,g ‰ 几乎不变,简单地通过改变M2的宽长比 /L无法 减小增益以 。尽管增大M2的驱动电压可以减小M1 的电压增益,但是这会增加功耗。这样,就必须加大 M2沟道长度以加大 来达到减小A 的目的。 另一方面,从截止频率的角度考虑,M2的沟道 长度也不能过长,必须使其引起的寄生电容尽可能 小。最后,为了避免I c谐振回路引起的信号损失, 必须满足式(6)的条件口 g +2> 0Cd/QL (6) 其中,Cd是包含寄生电容在内的谐振回路电容,而 Q。 是回路的品质因数。 的电感采用了SMIC提供的片上螺旋电感模型实现。 衰1放大器ST和LA的仿真结果 Tab.1 The simulation results of the ST and LA amplifiers 最初设计时考虑采用QFN32封装,因此在用 Cadence的SpectreRF仿真时加入了封装的模型。仿 真结果如表1所示。正如预期,双频测试仿真结果显 示,采用补偿技术将IIP。提高了6.7 dB,而其他性 能指标几乎不受影响。 4 流片测试结果 由于种种原因,最后测试时无法使用QFN32封 装,将使用SMIC 0.18 m CMOS工艺制造得到的 裸片管芯粘接在印刷电路板(PCB)上,对其进行了 测试。由于信号从芯片到PCB上的引线的寄生电 感、电容参数与QFN32封装的寄生参数差别较大, 因此测试结果与带有QFN32封装参数仿真的结果 有一定的偏差。电路板测试条件和结果见表2。 表2放大器ST和LA的测试结果 Tab.2 The measured results of the ST and LA amplifier 维普资讯 http://www.cqvip.com 1期 曹 克等:一个利用线性区MOS管补偿的射频放大器 图3输入大信号时LA放大器的输出频谱 Fig.3 Output spectrum of LA Amplifier with large input power 使用Agilent的E4463B信号发生器和8563EC频谱 仪,对两个放大器进行双频测试(由于中心频率偏 移,两个测试频率分别是1.861 GHz和1.863 GHz),得到其liP。。例如,图3中所示是输入功率较 大时I A放大器的输出频谱。 吕 要 图4 ST放大器的liP。测试结果 Fig.4 The measured liP3 of the ST amplifier ST放大器的三阶交调项(1.859 GHz及1.865 GHz)和所需放大的信号的功率随输入信号变化的 关系如图4所示,可以看出其liP。为3.5 dBm。I A 放大器的测试结果如图5所示。当其输入级的栅级 和 B的偏置条件与ST放大器一致时,其结果如图 5中实线所示,测得liP。为8.4 dBm,比ST放大器 提高了约5 dB。 为了进一步验证liP。的提高确实来自于采用 的补偿技术后的三阶特性的互相抵消,测试了保持 其他偏置条件不变时不同VB偏置条件下的电路的 liP。。随着VB的增大,I A放大器的增益也随MA1 工作点逐渐进入饱和区而提高。同时,尽管消耗的功 耗增大,放大器的线性度反而下降,例如当VB为 0.9 V时,其ⅣP。降至1.3 dBm(如图5中虚线所 示),而输出三阶交截点功率(0IP3)也小于MA1工 作在线性区时的OIP3,这是因为当MA1与M1一样 工作在饱和区时,补偿作用不再存在了。由此可以证 明,本文提到的线性化确实来源于两信号支路三阶 转移特性的互相抵消作用。 O 吕 一2O 曼 -40 —6O 一80 25 2O 15 1O 5 O 5 l0 15 /dBm 图5 LA放大器的liP 测试结果 Fig.5 The measured liP3 of the LA amplifier 表2列出的测试的结果显示表明采用补偿技术 不会影响放大器的其他性能指标。 放大器的S参数和噪声参数分别使用Agilent 公司的8753ES网络分析仪和N8973A噪声分析仪 测得。由于直接在PCB上焊接测试时金焊丝寄生电 感偏大而寄生电容很小,与QFN32封装的寄生参数 相差很大,造成放大器的中心频率从设计的2.15 GHz偏移到1.86 GHz,这也影响到了放大器的匹 配、增益和噪声特性。尽管如此,两个测试的放大器 ST和LA电路是在同样设计的PCB上焊接测量,因 此它们受到了同样寄生效应的影响。考虑直接在 PCB的寄生模型,重新对电路进行仿真,仿真结果 与测试结果接近,证明两个电路PCB测量结果与它 们用QFN32封装模型设计仿真结果之间的差异基 本上是由金属焊丝引线的寄生参数引起的。因此,尽 管PCB上测量结果与采用QFN32封装的仿真结果 有所不同,仍然可以通过比较两个电路的测量结果 来估计补偿技术对放大器其他性能的影响。比较I A 放大器与ST放大器的测量结果,可以看出,采用补 偿技术后I A放大器的线性度有很大提高,而对功 耗和噪声性能的影响很小。 最后,实测结果也显示两个电路都可以低电压 工作,它们的供电电压降到1 V以下时仍然能够正 常工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 42 固体电子学研究与进展 26卷 [10]Kim T W,Kim B。Lee K.Highly linear receiver front— 5 结 论 提出了一个采用补偿技术的低电压CMOS射 频放大器。流片测试结果表明采用并联线性区的 end adopting MOSFET transconductance linearization by multiple gated transistor[J'].IEEE J Solid—State Circuits,2004;39(1):223—229 [11] Aparin V.Larson L E.Modified derivative superposition method for linearizing FET low—noise MOS管可以有效改善折叠式共源共栅放大器的 liP。而基本不影响电路的其他性能。 参 考 文 献 [1] A parin V・Larson L E.Analysis and reduction of cross—modulation distortion in CDMA receivers[J]. 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