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A New Low Noise Amplifier Designed for FM Tuner
摘要：论文设计实现了一个用于单芯片FM调谐器的低噪声放大器，放大器采用0.6 um BiCMOS工艺实现。低噪声放大器采用匹配简单并且线性度很高的新式共基结构实现[1]。仿真结果显示采用此结构的低噪声放大器的正向增益(S21)为24dB，信号频率范围内的噪声系数(Noise Figure)仅仅为2.5dB。输入3阶交调点（IIP3）为-15.25dB。本文中，我们将对该结构低噪声放大器进行具体的分析。
关键词：低噪声放大器；射频；调频调谐器；BiCMOS。
Abstract—A low noise amplifier (LNA), intended for use in a single-chip FM Tuner, has been designed with a commercial 0.6 um BiCMOS process. A new common-base structure is adopted because of its simple input matching and high linearity[1]. The spectreRF simulation results show that the proposed low noise amplifier exhibits a forward gain (S21) of 24dB with a noise figure of only 2.5dB in the frequency range. The Input third-order Intercept-Point (IIP3) is -15.25dB. In this paper, we present a detailed analysis of the LNA Architecture.
Index Terms—Low Noise Amplifier, Radio Frequency, FM tuner, BiCMOS.
I. 简介
本文中设计的低噪声放大器主要用于一个低电压单芯片电子调谐的调频立体声收音机芯片。该单芯片收音机可以调谐接收欧洲、美国以及日本的调频波段，信号输入频率范围为76MHz到108MHz。如图一所示，从外部天线接收到的信号经过信号匹配和滤波后首先被送入低噪声放大器，然后从低噪声放大器输出的经过放大的信号被送入与低噪声放大器相连的下变频混频器（MIXER），该混频器的主要作用是将从低噪声放大器输出的信号跟从压控振荡器（VCO）输入的信号进行混频以产生中频（IF）信号。低噪声放大器的增益通过自动增益控制电路（AGC）控制。片外使用了少量的无源器件，主要是电容、电感等，来实现阻抗匹配以及波段外信号的滤除[2]。
本文按照如下安排：第二小节介绍输入匹配电路，第三小节描述了LNA并对增益、噪声系数、三阶交调点等参数进行了推导，仿真结果在第四小节中讨论，结论在第五小节中给出。
II. 匹配电路
天线接收到的信号通过该阻抗匹配电路送入FM-RF输入。一个串联电容、两个并联电容以及一个电感（L1）构成了该匹配电路。匹配电路中使用的电感的品质因数（Q factor）最小为30。匹配电路与低噪声放大器的输入电阻共同构成了一个低品质因数的带通滤波器。为了不影响接收机灵敏度，该匹配电路经过优化与信号源50欧姆内阻相匹配，元件参数在图1中给出。
III. 低噪声放大器电路描述
该低噪声放大器采用两级结构实现，它的传输管级电路在图2中给出。这里我们之所以使用双极晶体管是因为在同样的电流下，它们比MOS晶体管产生的增益更大而且噪声比较
小。低噪声放大器采用交错耦合的共基结构，它的第一级的半电路由双极晶体管Q1, Q2和
电阻R1, R3构成。经过放大的信号被送入由Q5, Q6构成的第二级，第二级实质上是射级跟随器。晶体管Q1和Q4的基极与自动增益控制电路(AGC)相连，用来实现低噪声放大器的增益控制。
放大器的输入级经过简化如图3所示，这里我们假定低噪声放大器的输入端与理想电压源相连接。
(1)
A. 噪声系数
为了简化低噪声放大器电路的噪声性能分析，我们首先建立包含噪声源的基本共基结构的小信号等效电路如图4所示。图4中电路的灰色部分为双极晶体管的噪声模型[3], [4]。图4中
通过观察我们可以得出结论：式3中的各项噪声组成都跟晶体管跨导有着不同的依赖关系，也就是说，都和偏置电流具有不同的依赖关系，表明存在一个最优的电流值会使低噪声放大器达到最佳的噪声系数指标。
B. 线性度
通过观察图3的电路，我们可以知道，在输入阻抗匹配的条件下，决定低噪声放大器非线性程度的因素为调制基极－射级的信号幅度，也就是VS/2gmRS。所以，跨导gm越大，电压信号幅度越小，意味着输入输出线性程度就更高，因此输入晶体管的非线性关系得到了改善。通过增大偏置电流，可以改善低噪声放大器的非线性程度。考虑到负反馈电阻RS形成的反馈回路的增益为gmRS。可以得出输入三阶交调系数为[3]：
 这里VT为热电压，c1, c3为双极晶体管器件的伏安特性参数。对于gm 》1/RS, 三阶交调系数随着跨导增大以3次方的速度增大，也就是随着偏置电流的3次方增大。
在传统的电感负反馈结构中，噪声系数跟线性度相折中，当需要极其低的噪声系数时可以通过取得一般的线性度达到[5]。在其他研究[6], [7]中也有提供了着重于在低频率低输入阻抗的条件下增加单级线性度的解决方案。还有一些验证方法也证实了这些技术的有效性。然后，伴随而来也有一些缺点：例如由于电路规模导致需要增加外部元件以及功耗的增加等。经过对比这两种可选择的低噪声放大器结构的线性度，可以得出在相同的功耗下，本文推荐的共基级低噪声放大器结构更值得选择[7],[8],[9]。
IV. 仿真结果
本文提出的用于FM调谐器的低噪声放大器使用0.6 um BiCMOS工艺实现，目前正在投片中，所以这里只给出电路仿真结果。
使用电路仿真工具SpectreRF对图2中给出的低噪声放大器电路进行仿真得出：在3V电源电压下，在76MHz到108MHz频率范围内，该低噪声放大器的增益为24dB。噪声系数
 在频率范围内从2.482dB到2.492dB之间变化，如图5所示。输入三阶交调系数大约为-12.25dB。
主要仿真结果在表1中列出，其中，增益、噪声系数、1-dB压缩点和IIP3都是从RF输入到输出之间仿真得出的。
V. 结论
本文提出的共基结构低噪声放大器主要是为低电压应用的FM调谐器设计的。在低噪声放大器输入端，我们精心设计了用于滤除波段外信号和阻抗匹配的匹配电路。该低噪声放大器在取得了可接受的2.5 dB噪声系数的同时达到了24dB的增益。该低噪声放大器的性能对于FM调谐器应用来说已经完全满足。该设计目前正在投片中，即将进行测试以验证仿真结果。
本文作者创新点：采用了较为少见的共基结构实现射频前段LNA，达到理想增益的同时取得了可以接受的噪声系数等指标，重要指标表达式也进行了推导。
参考文献：
[1] Behzad Razavi, RF electronics. Prentice Hall.,2000
[2] Vincent Rambeau, Hans Brekelmans, Marc Notten, Kevin Boyle, Jan van sinderen, Antenna and input stage of a 470-710 MHz silicon TV tuner for portable applications, ESSIRC, Grenoble, France, 2005.
[3] P. R. Gray, P. J. Hurst, S. H. Lewis, and R. G. Mayer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuit. 4th ed: Wiley.
[4] R. G. Mayer and W. D. Mack, “A 1-GHz BiCMOS RF front-end IC”, IEEE J. Solid-State Circuit, vol. 28, pp. 350-355, Mar. 1994
[5] K. L. Fong and R. G. Meyer, “High-frequency nonlinearity analysis of common-emitter and differential-pair transconductance stages,” IEEE J.Solid-State Circuits, vol. 33, no. 4, pp. 548–555, Apr. 1998.
[6] K. L. Fong, “High-frequency analysis of linearity improvement technique of common-emitter transconductance stage using a low-frequency-trap network,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35, no. 8, pp. 1949-1952, Aug. 2000.
[7] V. Aparin and L. E. Larson, “Linearization of monolithic LNA’s using low-frequency low-impedance input termination,” in Proc. Eur. Solid-State Circuits Conf. (ESSCIRC), Sep. 2003, pp. 137–140.J.
[8] A. Liscidini, M. Brandolini, P. Rossi, F. Torrisi, and F. Svelto, “Design methodology of feedback-LNA’s for GHz applications,” in Proc. Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM), Sep. 2004.
[9] 王昌林, 李东升, 张勇. 一种射频CMOS低噪声放大器的设计[J]. 微计算机信息, 2006, 10-2; 117-119
作者简介：
曹沛（1982－），男，北京微电子技术研究所，微电子学与固体电子学在读硕士研究生，主要研究方向为射频前段电路设计，低噪声放大器及混频器设计。
通信地址：北京微电子技术研究所9243信箱，北京市，100076 |
