一种应用于低电压GPS接收机的高线性度低噪声放大器

近些年来，随着无线通信系统技术的发展，越来越多的便携式电子产品向着低功耗、高集成度的方向发展。GPS服务因其能够实时追踪和导航的优点，现已成为无线通信设备不可或缺的功能^[1-3]。而低噪声放大器（LNA）作为GPS接收机前端的第一级有源器件，其性能显著影响着整个接收机的性能。因此对LNA噪声、功耗、线性度等性能指标提出了越来越严苛的要求。

1 消除三次非线性

而跨导的非线性导致了共源级放大器的非线性。由共源级LNA的输入三阶交调点(IIP3)表达式^[8]：

可知，为了提高IIP3，应尽量减小三次非线性系数g_m3的值，即减小跨导g_m的二阶偏导g_m″的值。为此，有学者提出跨导导数叠加技术，其结构如图1所示，由主放大管Ma和辅助放大管Mb并联组成。主放大管的栅极电压V_bias1和辅助放大管的栅极电压V_bias1-Vshift分别确保主放大管Ma和辅助放大管Mb工作在强反型区和弱反型区。通过调整M1和M2的宽长比和偏置条件，使得主放大管Ma与辅助放大管Mb两者跨导的二阶偏导g_m″正负峰值对齐，如图2所示。从而令两者三次非线性系数之和接近于零，进而改善共源级LNA的线性度。

其中，V_th0是V_BS为0时的阈值电压，γ为体效应系数，φ_S为表面势参数，V_BS为衬源电势差，L₁与L₂组成滑动变阻器。通过调节V_BS的大小令辅助管M2工作在弱反型区。当辅助放大管M2分别由栅压V_bias1-V_shift和体偏压V_bs控制时，扫描各自的偏置电压V_bias1和V_bias。V_shift取值范围在0.08 V~0.23 V时，与V_bs取值范围在-0.30 V~-1.08 V时，两者都会得到由M2a到M2b一簇近似相同的曲线，如图4所示。即两种技术能够产生相同的补偿三次非线性系数的效果。尽管两种不同技术使得辅助管M2表现出相似的g_m″曲线，但采用体偏压控制的跨导导数叠加技术的控制电压V_bs的范围，是传统跨导导数叠加技术控制电压V_shift的5.2倍，因此能够在工艺、电压、温度变化的影响下，更为精准地调节g_m″的曲线。

2 削弱二次非线性的影响

当考虑到二次非线性对线性度的影响时，共源级LNA的IIP3可以表示为^[6]：

其中，g_m是MOS管的跨导，ω为工作频率，L_s为源极简并电感，C_gs0为MOS管的栅源电容，C_add为MOS管栅源两端并联的电容，L_g为栅极电感。通过导数叠加技术，g_m″的影响可以近似忽略。在MOS管栅源两端并联电容C_add，式(5)中IIP3的分母g_m′项中由于C_add的引入，降低了二次非线性对三阶交调失真的影响，从而进一步改善线性度。

3 电路设计

4 仿真结果与分析

5 结论

参考文献

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陈 利，刘艳艳

（天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室，天津300350）