《电子技术应用》

射频LNA的低噪声LDO电源设计

2018年电子技术应用第5期
宋 飞,蔡 俊,李 杨,王 飞
(安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南232001)
摘要: 设计了一种给单片毫米波集成电路(MMIC)中射频低噪声放大器(LNA)供电的电源模块。该电源模块集成在MMIC中并利用低压差线性稳压器(LDO)提供稳定的低噪声电源电压。由于传统LDO结构噪声较大,因此设计了一种电压预调节和RC低通滤波相结合的新型LDO结构来降低电路噪声,并针对RC低通滤波电路启动慢的缺点提出了一种快速启动的电路结构。利用SMIC 0.18 μm CMOS工艺对电路进行设计和仿真测试,测试结果表明,输入电源电压5 V,输出电压在1~4.2 V范围内可调,电压输出线性调整率(LNR)为8.2 mV/V,负载调整率(LDR)为83.3 μV/mA,输出噪声电压在1 kHz~100 kHz内的噪声积分为34.94 μVrms,满足LNA的供电要求。
中图分类号: TN432
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173882
中文引用格式: 宋飞,蔡俊,李杨,等. 射频LNA的低噪声LDO电源设计[J].电子技术应用,2018,44(5):29-32.
英文引用格式: Song Fei,Cai Jun,Li Yang,et al. Design of low-noise LDO power supply for RF LNA[J]. Application of Elec-
tronic Technique,2018,44(5):29-32.

Design of low-noise LDO power supply for RF LNA

Song Fei,Cai Jun,Li Yang,Wang Fei
(School of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Science And Technology,Huainan 232001,China)
Abstract: A power supply module is designed to supply RF low-noise amplifier(LNA) which is integrated in monolithic microwave integrated circuit(MMIC). The power supply module integrated in MMIC and uses a low dropout regulator(LDO) structure to produce a stable low noise voltage output. Due to the large noise of the traditional LDO structure, the circuit noise is reduced by the new structure combined with the voltage preconditioning and the RC low pass filter, and a fast start filter module is designed for the filter circuit. The simulation results show that the input voltage is 5 V, the output voltage is adjustable in the range of 1~4.2 V, the voltage output line regulation rate(LNR) is 8.2 mV/V, the load regulation rate(LDR) is 83.3 μV/mA, the output noise voltage in the range of 1 kHz~100 kHz integration of 34.94 μVrms, to meet the LNA power supply requirements.

0 引言

    随着毫米波雷达技术在汽车自动驾驶方面的应用,汽车毫米波雷达渐渐向高集成、高精度、高可靠性方向发展。从目前的研究情况和产品报道来看,仅有少数几家公司能够提供MMIC车载雷达的解决方案,技术研发尚不能完全满足市场应用的需求。MMIC能够集成射频前端收发电路和中低频信号处理电路。其中射频LNA应用于毫米波信号接收端,它不仅要对接收到的微弱射频信号进行放大,而且在放大的过程中要尽可能少地引入噪声,以供后续电路对信号进行处理[1]

    射频LNA由于对电源的噪声比较敏感,无法与其他模块共用一个电源管理单元(Power Management Unit, PMU),所以需要独立的电源模块。目前LDO低噪声优化设计主要分为两个方面0。第一方面如图1所示,通过改变传统LDO电路结构并添加RC滤波网络来降低电路噪声,这种结构能有效地滤除前级电路的高频噪声,但其缺点是需要外接片外电容,增加了一个芯片引脚。第二种方法不改变传统LDO的电路结构,由于噪声的主要来源是带隙基准源(BG)和误差放大器(EA),所以第二种方法通过设计低噪声的BG和EA来实现低噪声电压输出。这种方法无需片外电容,也不会增加芯片面积,但相对于第一种方法来说其降低高频噪声的效果较差。本文采用了新型的电路结构,同时也通过优化电路设计,尽量降低BG和EA的输出噪声。

1 LDO整体电路

    图1所示为本文设计的LDO电路结构图,可以简单分为前级预调节电路、滤波电路、后级调节电路3个部分[3]

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    其中M2为预调整管,通过RDAC模块中的R1、R2将电压VI输出为反馈电压VFB,并与带隙基准电压VBG经误差放大器EA相比较,通过控制M2的栅电压来达到控制电压VI的目的,由于噪声主要来源于BG、EA和R1、R2,所以电压VI通过低通滤波模块,滤除高频噪声,再通过放大器AMP和调整管M1产生低噪声输出VOUT[4]。其中RS<7:0>8位数字控制信号通过改变R1、R2的比例来控制输出电压VOUT。C1、R1组成相位补偿网络,通过调节电路主极点的位置,使反馈环路具有足够的相位裕度[5]

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    通过式(5)可以看出通过电压预调节和RC低通滤波之后,整体输出噪声功率明显降低[8]

2 各模块具体电路设计

2.1 带隙基准源电路

    如图2所示,BG主要由3部分构成,分别是启动电路、偏置电流产生电路、VBG产生电路[9]

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    其中EN为控制信号,当EN为1时,ENN为0,M1~M5导通,M5会向偏置电路注入电流,使其脱离简并点正常工作,而当EN为0时,电路停止工作。偏置电流产生电路通过电流镜和电阻的组合产生基准电流,这些基准电流为放大器提供基准电流输入。

    BG的工作方式是通过正负温度系数的相互抵消,来实现电压基本不随温度变化的目的,VBG可表示为式(6)。

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    通过式(6)、式(7)可以得出,通过增大mn的乘积能够有效地减小噪声。

2.2 放大器电路

    在BG、前级预调节环路和快速启动RC滤波电路中的放大器均采用折叠式共源共栅结构。它的好处是在保证足够的环路增益的情况下,电路具有较快的响应速度,电路引入的噪声适中,在可控范围内,具体电路如图3所示。

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    后级调整电路中的AMP采用经典二级运放结构。它的优点是高增益、低噪声并且具有比较大的输出电压摆幅[10]

    折叠式共源共栅结构的主要噪声来源为M7~M8、M9~M10、M15~M16。总的输入噪声分为热噪声和闪烁噪声两部分,其中输入热噪声为:

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    其中k为玻尔兹曼常数,T为绝度温度,gm为MOS管的跨导。输入闪烁噪声如式(9)所示。

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2.3 快速启动低通滤波电路

    对于普通的RC滤波电路,其截止频率如式(11)所示:

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    由式(10)可以看出滤除噪声的效果越好,RC低通滤波电路的启动时间就越长。针对这一缺点,提出了一种快速启动的RC低通滤波电路。如图4所示。

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    M1为开关管,M2~M6工作在深三极管区,可以看作是一系列的电阻串联。电路启动瞬间,VCTRL为低电平,M1导通,给电容C0充电,当VI=VO时,VCTRL转换为高电压,M1关断,此时,RC滤波电路开始工作。其中两个反相器级联对误差放大器(EA)输出电压进行数字化处理,使VCTRL更有效地控制开关M1

    本设计中电容C的取值在纳法量级,很难集成到芯片内部[11],所以采用芯片外部连接电容的方式,同时也会相应的增加一个芯片引脚。

3 版图和整体电路仿真

3.1 版图

    图5所示为LDO的版图,整体芯片面积大约0.03 mm2。传统的LDO仅需要两个运放,本设计多使用了两个运放来满足低噪声和快速启动的实际需要,虽然相对来说增大了芯片的面积,但其性能上的优势足以弥补面积上的损耗。

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3.2 整体电路仿真

    采用Cadence Spectre工具对整体电路仿真测试,图6所示为LDO整体电路测试结果。其中VDD=5 V,VOUT输出标准电源电压3.3 V。由图可以看出电路启动时间小于1 ms,整体电路有较好的稳定性。

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    图7所示对电路的LNR进行仿真,VDD在4~6 V范围内变化,VOUT仅改变了16.4 mV。

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    通过计算可知其LNR为:

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    图8所示为电路LDR测试结果。其中负载电流在1~30 mA范围内变化,输出电压仅变化了0.25 mV。通过式(15)可以计算得出LDR为:

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    图9所示为输出噪声的仿真结果,图中所示的输出噪声密度(单位V/sqrt(Hz))曲线是对输出噪声功率(单位V2/Hz)进行开平方运算。

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    经计算,在1 kHz~100 kHz(阴影部分面积)范围内的噪声积分为34.94 μVrms

4 结论

    本文设计了一种给MMIC中LNA供电的电源模块,其性能参数对比如表1所示。从具体数据对比中可以看出本文设计的电源模块集成了电压基准源,并且具有较宽的输出电压范围和较小的输出噪声,各性能参数均满足设计应用的要求。

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参考文献

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作者信息:

宋  飞,蔡  俊,李  杨,王  飞

(安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南232001)

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