一种24ghz可变增益跨阻放大器的设计

一种24ghz可变增益跨阻放大器的设计

1射频跨阻放大器工作原理近年来，由于c电路成本越来越低，集成度越高，它已广泛应用于模拟电路的设计中，尤其是高频电路。传统的CMOS集成电路设计通常采用电压模式。近20年来,由于电流模式电路在速度、带宽、动态范围等方面有更加优良的性能,可以解决电压模式电路所遇到的一些难题,所以电流模式电路逐渐发展起来。然而,电流模式电路并不能完全取代电压模式电路,两者是互补、相互依存发展的。本文设计的射频跨阻放大器是一种电流-电压转换放大器,不仅可实现电流-电压信号转换,还可以提供高增益。跨阻放大器是电流模式电路与电压模式电路衔接的桥梁。图1所示为典型的电流模式射频发射机原理。从电流模式混频器出来的电流模式调制信号是一个小信号,在通过天线发射出去之前,必须转换成一个放大的电压信号。增益可调技术一般用于低噪声放大器,但是,在电流模式发射机中,它的作用也是非常突出的。如果接收机与发射机距离近,发射机发送的调制信号应该是一个弱信号,以防止接收机前端接收电路由于信号强度太大而饱和,影响信号接收;如果接收机与发射机距离远,发射机发送的调制信号必须是一个强信号,以防止由于接收距离远而导致信号衰减过大,影响接收。所以,发射机后端的射频跨阻放大器最好是增益可控。当接收机距离发射天线近时,射频跨阻放大器工作在低增益模式;当接收机距离发射天线远时,射频跨阻放大器工作在高增益模式。本文设计了一种电流复用与共源共栅结构相结合的增益可调射频跨阻放大器。该放大器工作在2.4GHz,工作电压为1.3V,功耗仅为6.38mW,噪声系数仅为1.061dB,最高增益为18.27dB,增益可控范围达15dB,输入、输出匹配及反向隔离度S11、S22、S12分别为-56.88dB、-36.99dB和-37.66dB。2大器的电路结构图2是本文提出的可变增益射频跨阻放大器的电路结构。电路主要由两级放大组成,第一级是电阻反馈式电流复用结构,第二级是差分式共源共栅放大结构。2.1阻抗匹配的一般模型电阻反馈式电流复用结构实际上是一个基本的跨阻结构。通过分析简单的电阻反馈放大器,可推导出电阻反馈式电流复用结构的特征。图3所示为一个电阻反馈输入放大器,图4是其简化模型。从图4的简化模型可以得到增益(AV)、噪声系数(NF),以及输入阻抗匹配(Zin)的表达式:式中,gm是场效应管M的跨导,RL和RF分别是负载电阻和反馈电阻。假设此电路后面连接一个内部阻抗为RS的源极跟随器。图5所示为电阻反馈式电流复用结构。使用电流复用结构,在与图3同样的偏置电流下,总跨导从gm增加到gmN+gmP。此时,方程(1)、(2)、(3)一样可以表示图5所示电路的增益(AV)、噪声系数(NF)和输入阻抗匹配(Zin),其中,RL、gm分别用表1中的值替代。如图5所示,用一个NMOS管替换反馈电阻RF,此结构就是增益可变的。电阻反馈式电流复用结构是一个基本的跨阻放大结构,在理想的跨阻放大器中,跨阻增益几乎就等于反馈电阻。此NMOS管的等效电阻为:由(4)式可知,VGS随VC变化,等效电阻rds是可变的。所以,此结构的跨阻增益也将随VC变化。2.2等效输出电阻差分式共源共栅电路如图6所示。此差分式共源共栅放大结构的差模增益可以表示为:式中,gm5、gm6、gm7、gm8分别表示M5、M6、M7、M8的跨导,ro5、ro6、ro7、ro8分别表示M5、M6、M7、M8的等效输出电阻。由(5)式可知,差分式共源共栅放大结构的差模增益与M5的跨导gm5或M6的跨导gm6成正比。式中,K′是跨导系数,W和L分别表示M5和M7的沟道长度和宽度,ID是共源共栅结构的漏极直流电流,λ是M5和M7的沟道长度调制参数,Vds5和Vgs5分别是M5的漏-源、栅-源电压。当VC变化时,gm5、gm6、gm7、gm8都将变化。所以,从以上方程可知,通过控制电压VC的大小,可以调节增益的变化。3电压vc稳定在0.5v时的仿真本文提出的差分式共源共栅可变增益RFTIA在0.18μmCMOS工艺下进行仿真分析。完整的RFTIA电路如图2所示,电路工作在2.4GHz,整个电路的功耗为6.38mW,图7到图9所示为扫描电压VC从0.5V变化到0.7V时放大器S参数及噪声系数的仿真结果。由结果可知,连续增益变化范围大约为15dB,噪声系数不超过5dB,且电压VC的变化并不影响输入匹配参数S11。图10到图12是VC稳定在0.7V下的仿真结果,此时,噪声系数仅为1.061dB,增益(S21)为18.27dB,输入、输出匹配S11、S22分别为-56.88dB和-36.99dB。结果显示,在噪声与功耗都很低的情况下,此RFTIA达到较好的输入输出匹配和高增益,符合设计要求。4工艺下的仿真设计了一种2.4GHz可变增益差分式跨阻放大器,在0.18μmCMOSRF工艺下进行仿真,整个电路采