低噪放

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传统的单频段LNA技术已趋于成熟,具有源级电感负 反馈结构的LNA由于其低噪声低功耗的特点而得到广泛应 用。 但是,面对多模多频段的需求,基于这种结构的LNA 设计遇到新的困难。首先,其窄带的输入阻抗匹配特点。 源级电感退化LNA输入阻抗只匹配在一个频点上,而多模 多频段需要低噪声放大器在多个频段都能实现匹配。虽然 二阶乃至高阶的输入阻抗匹配以及负载谐振网络能够支持 相隔比较远的两个或多个频带的低噪声放大,但是其在低 噪声放大方面的优势被削弱。
(三)
目前,实现多模多标准LNA的方式有很多,主流的方 式是采用多个低噪声放大器构成的接收阵列,通过数字 电路控制开关选择导通各个协议相对应的LNA。这种结构 设计简单,单个频段的LNA设计能达到最优,但也有很多 不足之处。首先,数字开关的引入会造成整个接收机系 统的噪声系数(NF)变差,灵敏度降低,匹配性能下降。其 次,多个低噪声放大器构成的阵列会占用很大的面积, 特别是电感元件,增加了成本,最后,功耗也比较大。 随着接收标准的不断增加,这种方式终将不可行。
(三)
第三种方式是并行式LNA。并行式LNA能同时工作在所需的 各个频率点,且放大所需频段的信号。其原理是在单频段 LNA的基础上,设计较为复杂的输入输出匹配网络,从而使 得LNA只在所需要的频段才具有放大功能。这种方式也是目 前研究比较多的,但是,它有一个固有的缺陷:复杂的输入 输出匹配网络。随着通信标准的逐渐增加,其输入输出匹 配网络也就越来越复杂,复杂的匹配网络需要更多的电感, 这样会占用很大的面积。随着通信标准的不断增加,这种 方式也将不可行。
(一) 国内发展现状
1. 西安航天华迅科技有限公司 2014 年3 月,公司研发出第四代GPS 和北斗双模定位芯片并量产。芯片采用0.1μm (HX8411)和40nm(HX8531)两种工艺设计,精度到2.5m。芯片除应用于 车载导航外,可以直接进入手机应用。 2. 杭州中科微电子有限公司/ 中国科学院微电子研究所 2014 年10 月,杭州中科微电子有限公司研制成功我国首款北斗导航多模射频基带一体化 单芯片——ATGS01,该芯片采用领先的55nm 工艺制程。 3. 和芯星通科技(北京)有限公司 2013 年,该公司发布Humbird SoC 低功耗芯片——UC260, 采用先进的55nm 工艺和公司完 全自主知识产权的GNSS 技术,可同时运行64 通道,为用户提供超低功耗、超高性能的 位置服务和用户体验。Humbird兼容支持北斗、GPS、GLONASS、伽利略,支持双系统 联合定位和单系统独立定位模式。 4. 东莞泰斗微电子科技有限公司 2013 年9 月,发布55nmCMOS“射频+ 基带+FLASH”三合一的北斗、GPS 双模导航导航芯片 TD1020。
(二) 电流复用技术
在一个分布式放大电路中,采用了与图类似的电流复用技术,不 过在输入端和输出端分别使用伪传输线实现输入输出阻抗匹配。 与其他DA 结构放大器相比,该设计23 mW功耗属于低功耗设计。
(二) 等效跨导增大技术
(二) 等效跨导增大技术
(二) 噪声消除技术
(二) 噪声消除技术
(三)
(一) 主要因素
低噪声放大器(LNA)位于接收机的前端,是无线通 信系统射频接收机前端非常重要的模块。所以其性能 的优劣对整个无线通信系统射频接收机起着关键的作 用。对低噪声放大器除了要求有优异的噪声性能外, 为了能够抑制后面各级的噪声对整个系统的影响还应 具有足够的增益,同时为了保证低噪声放大器在比较 大的信号动态范围内能够正常工作,不出现失真,要 求具备一定的线性度;为实现功率最大传输或为了使电 路获得最小噪声系数,低噪声放大器还应具备输人阻 抗匹配。在实际设计中,这些性能指标会相互牵制相 互影响,所以在设计过程中要对这些性能指标进行折 中处理[1]。
(三)
此结构采用电流复用反馈 结构,其主要优点是不需 要电感,功耗低,带宽达 到了7.5GHz。 其中,M1,M3,RL构成了 cascode结构,M2分流M1 的电流,减小了RL的直流 压降,通过M2的交流电流 增加了输入的等效跨导gm, 直流电流DC由电流镜(M7, M8组成)控制,M4,M5, R1,Rf构成了反馈结构。 M6和R2起到反向隔离, 增加驱动能力的作用。
(一) 国际发展现状
国际上的一些著名大学、研究机构以及 IC公司都己对多模多频段低噪声放大器的设 计做了广泛的研究,并且己经有了相当多的 成果。 2011年8月,日本的Lime Microsystems 公司推出了一款多模多频无线收发芯片 LMS6002,该芯片的工作频率为375MHz--4GHz,可用于3GPP ( WCDMA,HSPA和LTE), 3GPP2 (CDMA2000)以及WiMAX的应用上,其低噪声放大器的噪声系数不超过3dB。 2012年3月,富士通半导体公司推出了单芯片的2G13G/4G收发芯片MB86L1A,该芯 片支持LTE ( FDD和TDD), EDGE, EDGE-EVO, WCDMA,GSM, HSPA+, CDMA以及TD-SCDMA等多 种通信模式。 2013 年1 月,MTK 推出MT3332/MT3333 SoC(片上系统)芯片如图所示,可支持 GPS、北斗、GLONASS、伽利略及QZSS 等5 种全球卫星导航系统的信号,藉由多系统的 相互辅助,能大幅提升导航定位的精度和可靠性,避免误差随时间推移及行程增加而 累积。
(三)
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参考文献
[1]MADAN A, MICHAEL J M,CHRISTOPHE M,et al. A 5 GHz 0. 95 dB NF Highly Linear Cascade Floating-Body LNA in 180 nm SOI CMOS Tec;hnology[J]IEEE Mioro-wave and Wireless Components Letters,2012 , 22 ( 4):200-202. [2] M. F. Chou, W. A. Tsou, R. H. Dunn, et al. A CMOS Distributed Amplifier with Current Reuse Optimization. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2006, 3077- 3080 [3] X. Li, S. Shekhar, D.J. Allstot. Gm- Boosted Common- Gate LNA and Differential Colpitts VCO/QVCO in 0.18- um CMOS. IEEE Journal of Solid- State Circuits, 2005, 40(12): 26092619 [4] Q. Li, Y. Zhang. A 1.5- V 2- 9.6- GHz Inductor less Low- Amplifier in 0.13- um CMOS. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2007, 55(10): 2015- 2023 [5] Ming-Da Tsai, Chih-Fan Liao, Chi-Yun Wang, Yi-Bin Lee, Bosen Tzeng, Guang-Kaai Dehng. A Multi-Band Inductor-Less SAW-Less 2G/3G-TDSCDMA Cellular Receiver in 40nm CMOS. 2014 IEEE International Solid-State Circuits Conference. [6] Bevin G. Perumanal, Jing-Hong C. Zhan, Stewart S. Taylor, and Joy Laskar. A 12 mW, 7.5 GHz Bandwidth, Inductor-less CMOS LNA for Low-Power, Low-Cost, Multi-Standard Receivers. Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symposium, 2007 IEEE:57 - 60
(一)
5. 北京东方联星科技有限公司 2009 年8 月,推出国内首款成熟商用的北斗、GPS、GLONASS 三模兼容高性能卫星导 航芯片OTrack-32,采用0.18μmCMOS 工艺,是完全国产化的高性能核心器件。 6. 上海北伽导航科技有限公司 2014 年11 月,在上海军民两用基础促进大会上,上海北伽导航科技有限公司发布了 40nm 的北斗导航芯片航芯一号,据称,航芯一号是国内首颗SoC 工艺北斗多模射频基 带一体化芯片。
(二) 电流复用技术
电流复用技术可以降低功耗,且不受限于各 种结构。一般来说,增益的提高以牺牲功耗为代 价,而电流复用技术是一类不改变功耗而提高增 益的方法。其基本结构是让多个增益级电路或者 器件使用同一路偏置静态电流,这样电流不改变, 而增益得到了叠加(相加或者相乘)。
(二) 电流复用技术
图电流复用结构示意图
(一) 国际发展现状
2013 年11 月,高通与三星合作推出支持北斗卫星定位功能的旗舰智能手机 GALAXY Note 3(配备高通骁龙800 移动处理器MSM8974),成为首批支持北斗系统 的智能手机。 2013 年12 月,博通公司宣布推出一款支持北斗系统的卫星导航芯片BCM47531 (见图6),它能够同时使用从5 个卫星系统(GPS、GLONASS、QZSS、SBAS 和北斗 卫星)发出的信号来产生定位数据,提高 了导航定位精度,尤其是在性能受建筑和 掩体影响的城区,效果更为明显。 2014 年2 月,MTK 发布了全球首款支 持4G LTE 网片——MT6630,支持20/40/80 MHz 频道带宽,支持低功耗蓝牙,整合了 ANT +(蓝牙健康与健身聚合器套件)技 术,可广泛应用于运动健身配件/ 可穿戴 设备,同时支持GPS、北斗、GLONASS、 伽利略、QZSS 系统。
(三)
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在节点处,从两路跨导 级汇聚的信号电流是同 相位的因此加强,而噪 声电流是异步相位的, 刚好抵消,从而降低了 噪声。
(三)
第二种方式是宽带LNA。宽带LNA能提供一定带宽的频率 覆盖,在这个带宽内的各个频带信号,它都能同时接收, 同时,具有宽带的阻抗匹配性。但是,由于宽带LNA往往 采用电阻作为负载,电阻的直流压降会限制负载的大小, 特别是在低电源电压的情况下,小的负载电阻加大了增益 的设计难度。另外,在实际的通信过程中,有用信号频带 附近的带外干扰会比带内信号高出40~60dB,而宽带LNA 不具备选频特性,它在放大有用信号的同时,也放大了带 外的强干扰信号,这样对后级电路的线性度的要求加大。
(一) 国际发展现状
2014 年4 月,博通宣布推出业界首款用于全球卫星导航系统的单芯片解决方案即 具备40nm 工艺的芯片——博通BCM4771,专门用于大众市场的低功耗可穿戴设备, 如健身跟踪器、智能手表等。BCM4771 同时匹配了GPS、QZSS、北斗等多套卫星导航 系统,同时还预估了未来7 天星地数据,提高了数据的准确度。 2014 年,高通发布了28nm 工艺、64 位的MSM8916、MSM8936, 支持GPS、 GLONASS 和北斗系统。 2014 年12 月, 博通公司发布智能手机GNSS 定位 中枢芯片——BCM4774。博通BCM4774 同时支持伽利略 、GPS、GLONASS、SBAS、QZSS 和北斗。在某些模式下, 与传统架构相比,博通先进的硬件设计和更大的内存可 将能耗减少多达95%,从而大大延长移动设备的电池寿 命。 2015 年1 月,MTK 发布了专为Android Wear 系统的 可穿戴设备打造的全新低功耗处理器MT2601,具有双 频WIFI、蓝牙4.1 以及ANT+ 和FM 等功能,并兼容主流的GPS、北斗、GLONASS,无线 连接功能十分强大。
目 录
概述与近况 主要设计技术
多模LNA的设计
参考文献
(一) 设计背景
GPS和“北斗”是人们较为熟知的两个卫星导航系统。GPS起始于 美国军方的一个项目,它从20世纪70年代就开始研制,到1994年全面建成, 它由24颗(3颗备用)在轨卫星组成,具有海陆空全方位实时三维导航和定 位能力。在目前的四大卫星导航系统(美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、中国的“北斗” 系统、欧盟主导的伽利略系统)中,美国的GPS是投入最早、目前应用技术最成熟、用户 数量最多、效益最大的系统。 “北斗”导航系统是我国自主研制的卫星导航系统。目前, 我国已建成了“北斗”卫星导航试验系统,即“北斗一号”,初步的实现了我国卫星导 航的自主化。随着我国综合国力的提高,以及卫星导航定位服务逐渐渗透到人们的生活 当中,从2004年开始,我国开始建设具有全球导航能力的,北斗”卫星导航定位系统, 即“北斗二号”。按照“三步走”的总体规划,于2012年完成对亚太大部分地区的覆盖 并提供卫星导航服务。预计到2020年,系统将全面建成,并提 供全 球的卫星导航服务。届时,基于“北斗”的导航与定位服务将越来 越普及。 从目前的发展趋势来看,单一的卫星导航系统还不足以提 供全方位的应用服务,多种卫星导航 系统并存将是未来卫星导航 系统的一大特点。并且,随着我国“北斗”导航系统的进一 步完善, 这种特点将越来越明显。
(三)
单频段LNA电路图
(三)
输源自文库匹配网络
输出匹配网络
(三)
第四种方式是可重构LNA,这种方式也是目前前研究的热 点。其原理是通过开关控制电感或电容的值,或者使用 可变电感或可变电容,实现不同频段下的输入阻抗匹配 和负载LC网络的调谐。这种方式能最大限度的实现片上 硬件器件的复用和较低的功率消耗,其开关控制也可与 数字电路相结合,实现可配置。基于可重构结构的这些 特点,这种结构将是未来实现多模多频段LNA的趋势。
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