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应用于无线传感器网络2.4GHz的低噪声放大器设计

发布日期:2023-12-05 01:39浏览次数:
本文摘要:某些场合的通信无法依赖任何预先架设的网络设施,而是必须一种需要临时较慢自动的组织网络的移动通信技术。因此、传感器网络将渐渐引导人类步入网络即传感器的传感时代。 低噪声放大器LNA(lownoiseamplifier)是射频接管前端的主要组成部分。 由于坐落于接管前端的第一级,必要与天线连接,所以它的噪声特性将对整个系统起着决定性起到。同时,天线接管的信号一般弱,所以低噪声放大器本身必须获取充足的增益缩放信号,并把简单的信号原始地传输到下一级。

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某些场合的通信无法依赖任何预先架设的网络设施,而是必须一种需要临时较慢自动的组织网络的移动通信技术。因此、传感器网络将渐渐引导人类步入网络即传感器的传感时代。  低噪声放大器LNA(lownoiseamplifier)是射频接管前端的主要组成部分。

由于坐落于接管前端的第一级,必要与天线连接,所以它的噪声特性将对整个系统起着决定性起到。同时,天线接管的信号一般弱,所以低噪声放大器本身必须获取充足的增益缩放信号,并把简单的信号原始地传输到下一级。  本文设计的低噪声放大器,工作在2.4GHz频段上,使用SMIC0.13mRFCMOS工艺设计。对于射频系统,特别是在是应用于无线传感器网络节点中的模块,功耗是必需首先考虑到的问题。

在此基础上放大器须要获取充足的增益以及较低噪声系数,并且符合一定的比特率、线性度以及稳定度。但是大于噪声系数与仅次于增益是不有可能同时获得的。因此,如何在限定版功耗的前提下尽量构建输出输出功率给定以及提升低噪声放大器的噪声性能沦为设计中的仅次于挑战。

  1 低噪声放大器设计  1.1 电路结构  本文使用的低噪声放大器电路结构如图1右图。    图1 低噪声放大器原理图  该低噪声放大器主体电路使用共源共栅的差分结构,由于共栅级电路的输入阻抗较小,诱导了共源级的电压增益,从而遏止了密勒效应,提升了偏移隔离度,同时使输入阻抗不受共源管M1、M2栅漏间电容以及后级电路影响变大,使放大器稳定性强化。

  在该结构中,片内电阻R1、R2压强产生偏置电压Vbias,通过Rg1、Rg2加于共源管M1、M2栅极,为其获取直流偏置。为了确保较低的噪声系数,Rg1、Rg2不应挑选阻值较小的电阻,以隔绝偏置电路中电阻R1、R2带给的噪声。晶体管M3、M4为共栅MOS管。

  片内源近于电感Ls1、Ls2以及M1、M2栅源间可选电容Cex1、Cex2因应栅极片外电感觉Lg1、Lg2,构建低噪声放大器的输出给定。电感Ld1、Ld2分别和电容Cd1、Cd2并联,再行分别与Cd3、Cd4串联,构建低噪声放大器的输入给定。  分析图1右图差分共源共栅放大器的半电路工作状态,对于工作于饱和状态区的MOS管有:    为确保低噪声放大器符合较小的噪声系数,缩放电路中的MOS管的栅长不应尽可能自由选择最小值,本工艺大于栅长为0.13m,所以,共源管M1和共栅管M3的栅长L1、L3均划为0.13m。

在此情况下,转变共源管和共栅管的栅长W1、W3,可以调整M1、M3的跨导gm1、gm3。根据共源共栅电路性质由此可知,转变共源管和共栅管的跨导可以转变放大器的增益。

本次设计使用1.2V电源电压供电,为了确保一定的线性度,以及保证M1栅源电压Vgs1小于阈值电压Vth(本工艺的Vth大约为430mV),自由选择直流偏置电压Vgs1为600mV。对于工作于饱和状态区的MOS管,其溢近于电流Id回应为:    本次设计拒绝功耗容许为8mW,在偏置电压Vgs1以及各工艺参数都已确定的情况下,共源管M1和共栅管M3的栅长W1、W3要求了该放大器的工作电流Id,即要求了放大器的功耗。设计时,在确保增益的前提下,调整W1、W3,建模获得半电路工作电流大约为3mA,即总电流大约为6mA,符合指标拒绝。

  该低噪声放大器增益控制电路使用信号加成反应模式,增益掌控MOS管Mc1、Mc2由VC1掌控,Mc3、Mc4由VC2掌控。在半电路中,通过转变Vc1可以转变Mc1的通断,在Id1恒定的情况下,则可以转变流到M3电流Id3。而工作在饱和状态区的M3管的跨导gm3可以回应为:    所以转变Id3可以转变gm3,进而构建放大器增益的转变。


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