应用于无线传感器网络2.4GHz的低噪声放大器设计_js98886金沙网址

发布时间:2021-03-19    来源:金沙澳门官方js55658 nbsp;   浏览:60752次
本文摘要:在某些场合下,通信不能依赖于任何预建的网络设施,而必须是一种需要临时缓慢组织网络的移动通信技术。

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在某些场合下,通信不能依赖于任何预建的网络设施,而必须是一种需要临时缓慢组织网络的移动通信技术。因此,传感器网络将逐渐带领人类进入网络的传感时代,也就是传感器时代。

低噪声放大器LNA(低噪声放大器)是射频接收前端的主要组成部分。由于它位于连接管前端的第一级,需要与天线连接,因此它的噪声特性将对整个系统起到决定性的作用。同时,天线接收的信号一般较弱,因此低噪声放大器本身必须获得足够的增益缩放信号,并将简单信号传输到下一级。

本文设计的低噪声放大器工作在2.4GHz频段,采用SMIC0.13mRFCMOS工艺设计。对于射频系统,尤其是应用于无线传感器网络节点的模块,首先要考虑功耗。在此基础上,放大器需要获得足够的增益和低噪声系数,并满足一定的比特率、线性度和稳定性。

然而,不可能同时获得高于增益的噪声系数。因此,如何在功耗有限的前提下构造给定的输出功率,提高低噪声放大器的噪声性能,成为设计中的第二大挑战。1低噪声放大器的设计1.1电路结构本文使用的低噪声放大器的电路结构如图1右图所示。

图1低噪声放大器原理图低噪声放大器的主电路采用共源共栅的差分结构。由于共栅电路的输入阻抗较小,共源级的电压增益被感应,从而抑制了米勒效应,提高了失调隔离。

同时,输入阻抗不受共源极晶体管M1和M2的栅极和漏极之间的电容以及后续电路的影响,这增强了放大器的稳定性。在这种结构中,偏置电压Vbias由片上电阻器R1和R2的压力产生,该压力通过Rg1和Rg2施加到公共源极管M1和M2的栅极,以获得它们的DC偏置。

为了确保低噪声系数,Rg1和Rg2不应选择电阻值较小的电阻来隔离偏置电路中电阻R1和R2带来的噪声。晶体管M3和M4是共栅金属氧化物半导体晶体管。根据栅极芯片的外部感测Lg1和Lg2,片内固有电感Ls1和Ls2以及M1和M2栅极源之间的可选电容Cex1和Cex2构成低噪声放大器的输出。

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电感Ld1和Ld2与电容Cd1和Cd2并联,然后分别与Cd3和Cd4串联,构成低噪声放大器的输入。根据图1右图中差分共射共基放大器半电路的工作状态分析,对于工作在饱和状态的MOS晶体管,为了保证低噪声放大器符合较小的噪声系数,缩放电路中MOS晶体管的栅长不要尽可能自由选择,此过程中较大的栅长为0.13m,所以共射共基放大器M1和M3的栅长L1和L3都分为0.13m.在这种情况下,可以通过改变公共源极管和公共栅极管的栅极长度W1、W3来调节M3 M1的跨导gm1、gm3。根据共射共基电路的性质可以看出,通过改变共射共基和共射共基的跨导可以改变放大器的增益。

在该设计中,电源电压为1.2V,以确保一定的线性度,并确保M1栅源电压Vgs1小于阈值电压Vth(该过程的Vth约为430mV),DC偏置电压Vgs1为600mV。至于工作在饱和状态的MOS管,其溢出电流Id响应为:本设计拒绝允许功耗为8mW。当已经确定了偏置电压Vgs1和各种工艺参数时,公共源极管M1和公共栅极管M3的栅极长度W1和W3需要放大器的工作电流Id,即放大器的功耗。在设计中,在保证增益的前提下,调整W1和W3,半电路工作电流约3mA,即总电流约6mA,按指标剔除。

低噪声放大器的增益控制电路采用信号相加反应模式,增益控制金属氧化物半导体晶体管Mc1和Mc2由VC1控制,而Mc3和Mc4由VC2控制。


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