[应用于无线传感器网络低噪声放大器的设计]锁相放大器的工作原理

应用于无线传感器网络低噪声放大器的设计锁相放大器的工作原理 摘要：本文给出一种应用于无线传感器网络射频前端低噪声放大器的设计，采用SMIC 0.18m CMOS工艺模型。在Cadence Spectre仿真环境下的仿真结果表明：该低噪声放大器满足射频前端的系统要求，在2.45GHz的中心频率下增益可调，高增益时，噪声系数为2.9dB，输入P1dB压缩点为-19.8dBm，增益为20.5dB；中增益时，噪声系数为3.6dB，输入P1dB压缩点为-15.8dBm，增益为12.5dB；低增益时，噪声系数为6.0dB，输入P1dB压缩点为-16.4dB，增益为2.2dB。电路的输入输出匹配良好，在电源电压1.8V条件下，工作电流约为6mA。 关键词：无线传感器网络；低噪声放大器；射频集成电路；射频前端 Design of Low Noise Amplifier for Wireless Sensor Network YIN Yu-jun1,2，LI Zhi-qun1 （1.Institute of RF-&OE-ICs,Southeast University,Nan _g,210096,China； 2.School of Integrated Circuits, Southeast University,Nan _g,210096,China） Abstract: A low noise amplifier designed for Wireless Sensor Network （WSN） RF front-end is proposed. It is designed in SMIC 0.18m CMOS process. It has been simulated and verified with Cadence Spectre. Aording to the result of simulation, the low noise amplifier fulfills the demand of the RF front-end system. The amplifier works well centered at 2.45GHz frequency and the forward gain is variable. NF（Noise Figure） of 6.0dB, input P1dB of -19.8dBm, gain of 20.5dB at high gain, NF of 3.6dB, input P1dB of -15.8dBm, gain of 12.5dB at middle gain and NF of 2.9dB, input P1dB of -16.4dBm, gain of 2.2dB at low gain are achieved. The circuit achieves good impedance matching both at input and output while consuming about 6mA current from a 1.8 V power supply. Keywords: WSN; LNA; RFIC; RF front-end 1引言 无线传感器网络（WSN）是一种新型的无线自组织网络，随着互联网技术，无线通信技术和电子技术的高速发展，无线传感器网络在世界范围内引起了广泛的关注，是多学科交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，其涉及的研究领域非常广泛。无线传感器网络作为信息领域的一个新热点，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。 本文设计的低噪声放大器（LNA）应用于WSN射频前端芯片，采用SMIC 0.18m CMOS工艺模型设计。电路设计仿真是在Cadence Spectre仿真环境下进行的，满足了射频芯片的系统要求。 2电路结构及工作原理 2.1 射频接收机的基本结构 无线传感器网络射频接收机框图如图1所示，主要由射频滤波器（RF Filter）、低噪声放大器（LNA）、混频器（Mixer）、滤波器（Filter）、可编程增益放大器（PGA）和接收信号强度指示器（RSSI）组成。它的原理是将天线接收到信号经过射频滤波器后送给低噪声放大器进行放大，再将放大后的信号送到混频器下变频到2MHz的低中频，再由可编程增益放大器进行放大后送给基带处理部分进行处理，RSSI的作用是检测下变频后的低中频信号的强弱，产生一个直流电平送给基带数字芯片去控制接收机中可编程增益放大器PGA的增益，实现接收机的自动增益控制。图中黑色模块即为低噪声放大器在无线传感器网络射频接收机中的位置。 2.2 低噪声放大器的电路结构及原理 低噪声放大器是处于射频接收机最前端的一个关键模块，它的主要作用是将天线从空中接收到的微弱信号进行放大，从而有效的抑制后续电路的噪声，自身只引入较低的噪声，提高接收信号的灵敏度，以提供系统解调所需要的信息数据。低噪声放大器广泛应用于宇宙通讯、雷达、电子对抗、遥测遥控、微波通信以及各种高精度的微波测量系统，其噪声、线性度和输入输出匹配等性能好坏直接影响到整个接收系统的性能。 本文设计的低噪声放大器原理图如图2所示。电路采用共源共栅差分输入差分输出对称结构，输入端采用源极电感负反馈匹配，输出端采用LC型匹配网络，通过改变gm来达到增益的控制。输入端和电源端都采用了ESD防静电保护。 在该结构中，用有源电阻接法的MOS管分压构成偏置电路VBIAS，为共源结构差分输入MOS管M1、M2提供直流偏置。M1、M2为差分输入主放大管，用于提供电路所需的足够的增益。共栅MOS管M3、M4用于减小密勒效应，以及增加电路的反向隔离度。源极电感L3、L4和栅极电感L1、L2实现输入阻抗匹配。电感L5、L6分别和电容C1、C3以及电容C2、C4实现输出阻抗匹配，并且电感L5、L6分别和电容C1、C2谐振在工作的中心频率2.45GHz上。MOS管M5、M6由VC0控制，MOS管M7、M8由VC1控制，从而通过改变gm来达到增益控制的目的。 考虑输入匹配时，输入阻抗由式（1）给出 在一定偏置条件和器件尺寸下，适当地选择源极电感和栅极电感就可以使输入阻抗等于50，从而实现输入阻抗匹配。在输出端，也可以选择合适的漏极并联的电感和电容的值，使它们谐振在工作的中心频率2.45GHz上，并且通过调节输出电容使输出阻抗等于50，从而实现输出阻抗匹配。 3低噪声放大器的前仿真结果 在共源共栅结构中，共源MOS管对电路整体的噪声起主导作用，为了达到一个很好的噪声性能，输入器件必须匹配到其最优的噪声阻抗，而为了达到最大功率传输，输入必须匹配到源阻抗（通常为50欧姆），然而最佳噪声阻抗与源阻抗往往是不相等的，所以输入的优化目标就是在功率匹配和噪声匹配之间进行很好的折中。 低噪声放大器是基于SMIC 0.18m CMOS工艺进行设计，使用Cadence仿真工具对低噪声放大器的S参数、噪声系数NF、输入P1dB压缩点分别进行了前仿真。 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 输入P1dB压缩点和噪声系数NF的仿真结果如图3和图4所示，图中3条曲线分别表示高增益、中增益和低增益情况下的仿真结果。 S11和S22的仿真结果如图5和图6所示，图中3条曲线分别表示高增益、中增益和低增益情况下的输入端和输出端的匹配情况。 增益S21的仿真结果如图7所示，图中3条曲线分别表示高增益、中增益和低增益情况下低噪声放大器的增益的仿真结果。 4低噪声放大器的版图及后仿真 低噪声放大器是采用差分输入差分输出的对称结构，电路的版图设计要尽量对称，这样有利于提高电路的性能。在版图空闲的地方，可以尽量设计电容，利用这些电容来旁路外界电源和地对电路性能的影响。低噪声放大器的版图如图8所示。 低噪声放大器的后仿真结果如表1所示。 5结论 本文设计了一种应用于无线传感器网络射频前端的低噪声放大器电路，对电路的结构以及工作原理进行了分析。低噪声放大器整体电路通过Cadence仿真工具仿真验证，仿真结果表明该低噪声放大器的增益可调，输入输出匹配良好，噪声低，线性度好，可以满足无线传感器网络射频芯片的总体要求。 _ 1 池保勇,余志平,石秉学编著.CMOS射频集成电路分析与设计.北京:清华大学出版社,xx.11:152-247 2王林,徐国栋.2.4GHz CMOS低噪声放大器的设计.半导体技术,第31卷第9期,xx年9月.页码:706-711 3Bo-Shih Huang, Ming-Dou Ker. New matching methodology of low noise amplifier with ESD protection. Circuits and Systems, xx. ISCAS xx. Proceedings. xx IEEE International Symposium on 0-0 0 Page（s）:4 pp. 4 Shaikh K. Alam, Joanne DeGroat. A 1.5V 2.4 GHz differential CMOS low noise amplifier for Bluetooth and Wireless LAN Applications. Circuits and Systems, xx IEEE North-East Workshop on June xx Page（s）:13-16 5 Kuo-Hua Cheng, Christina F. Jou. A novel gain （下转第82页） control LNA for 2.4GHz applica