摘要：設(shè)計(jì)了一種給單片毫米波集成電路(MMIC)中射頻低噪聲放大器(LNA)供電的電源模塊。該電源模塊集成在MMIC中并利用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)提供穩(wěn)定的低噪聲電源電壓。由于傳統(tǒng)LDO結(jié)構(gòu)噪聲較大，因此設(shè)計(jì)了一種電壓預(yù)調(diào)節(jié)和RC低通濾波相結(jié)合的新型LDO結(jié)構(gòu)來降低電路噪聲，并針對(duì)RC低通濾波電路啟動(dòng)慢的缺點(diǎn)提出了一種快速啟動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)。利用SMIC 0.18 μm CMOS工藝對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，輸入電源電壓5 V，輸出電壓在1～4.2 V范圍內(nèi)可調(diào)，電壓輸出線性調(diào)整率(LNR)為8.2 mV/V，負(fù)載調(diào)整率(LDR)為83.3 μV/mA，輸出噪聲電壓在1 kHz～100 kHz內(nèi)的噪聲積分為34.94 μVrms，滿足LNA的供電要求。

0 引言

隨著毫米波雷達(dá)技術(shù)在汽車自動(dòng)駕駛方面的應(yīng)用，汽車毫米波雷達(dá)漸漸向高集成、高精度、高可靠性方向發(fā)展。從目前的研究情況和產(chǎn)品報(bào)道來看，僅有少數(shù)幾家公司能夠提供MMIC車載雷達(dá)的解決方案，技術(shù)研發(fā)尚不能完全滿足市場(chǎng)應(yīng)用的需求。MMIC能夠集成射頻前端收發(fā)電路和中低頻信號(hào)處理電路。其中射頻LNA應(yīng)用于毫米波信號(hào)接收端，它不僅要對(duì)接收到的微弱射頻信號(hào)進(jìn)行放大，而且在放大的過程中要盡可能少地引入噪聲，以供后續(xù)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理[1]。

射頻LNA由于對(duì)電源的噪聲比較敏感，無法與其他模塊共用一個(gè)電源管理單元(Power Management Unit, PMU)，所以需要獨(dú)立的電源模塊。目前LDO低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)方面0。第一方面如圖1所示，通過改變傳統(tǒng)LDO電路結(jié)構(gòu)并添加RC濾波網(wǎng)絡(luò)來降低電路噪聲，這種結(jié)構(gòu)能有效地濾除前級(jí)電路的高頻噪聲，但其缺點(diǎn)是需要外接片外電容，增加了一個(gè)芯片引腳。第二種方法不改變傳統(tǒng)LDO的電路結(jié)構(gòu)，由于噪聲的主要來源是帶隙基準(zhǔn)源(BG)和誤差放大器(EA)，所以第二種方法通過設(shè)計(jì)低噪聲的BG和EA來實(shí)現(xiàn)低噪聲電壓輸出。這種方法無需片外電容，也不會(huì)增加芯片面積，但相對(duì)于第一種方法來說其降低高頻噪聲的效果較差。本文采用了新型的電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)也通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，盡量降低BG和EA的輸出噪聲。

1 LDO整體電路

圖1所示為本文設(shè)計(jì)的LDO電路結(jié)構(gòu)圖，可以簡(jiǎn)單分為前級(jí)預(yù)調(diào)節(jié)電路、濾波電路、后級(jí)調(diào)節(jié)電路3個(gè)部分[3]。

其中M2為預(yù)調(diào)整管，通過RDAC模塊中的R1、R2將電壓VI輸出為反饋電壓VFB，并與帶隙基準(zhǔn)電壓VBG經(jīng)誤差放大器EA相比較，通過控制M2的柵電壓來達(dá)到控制電壓VI的目的，由于噪聲主要來源于BG、EA和R1、R2，所以電壓VI通過低通濾波模塊，濾除高頻噪聲，再通過放大器AMP和調(diào)整管M1產(chǎn)生低噪聲輸出VOUT[4]。其中RS<7:0>8位數(shù)字控制信號(hào)通過改變R1、R2的比例來控制輸出電壓VOUT。C1、R1組成相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)節(jié)電路主極點(diǎn)的位置，使反饋環(huán)路具有足夠的相位裕度[5]。

通過式(5)可以看出通過電壓預(yù)調(diào)節(jié)和RC低通濾波之后，整體輸出噪聲功率明顯降低[8]。

2 各模塊具體電路設(shè)計(jì)2.1 帶隙基準(zhǔn)源電路

如圖2所示，BG主要由3部分構(gòu)成，分別是啟動(dòng)電路、偏置電流產(chǎn)生電路、VBG產(chǎn)生電路[9]。

其中EN為控制信號(hào)，當(dāng)EN為1時(shí)，ENN為0，M1～M5導(dǎo)通，M5會(huì)向偏置電路注入電流，使其脫離簡(jiǎn)并點(diǎn)正常工作，而當(dāng)EN為0時(shí)，電路停止工作。偏置電流產(chǎn)生電路通過電流鏡和電阻的組合產(chǎn)生基準(zhǔn)電流，這些基準(zhǔn)電流為放大器提供基準(zhǔn)電流輸入。

BG的工作方式是通過正負(fù)溫度系數(shù)的相互抵消，來實(shí)現(xiàn)電壓基本不隨溫度變化的目的，VBG可表示為式(6)。

通過式(6)、式(7)可以得出，通過增大mn的乘積能夠有效地減小噪聲。

2.2 放大器電路

在BG、前級(jí)預(yù)調(diào)節(jié)環(huán)路和快速啟動(dòng)RC濾波電路中的放大器均采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)。它的好處是在保證足夠的環(huán)路增益的情況下，電路具有較快的響應(yīng)速度，電路引入的噪聲適中，在可控范圍內(nèi)，具體電路如圖3所示。

后級(jí)調(diào)整電路中的AMP采用經(jīng)典二級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)是高增益、低噪聲并且具有比較大的輸出電壓擺幅[10]。

折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)的主要噪聲來源為M7～M8、M9～M10、M15～M16。總的輸入噪聲分為熱噪聲和閃爍噪聲兩部分，其中輸入熱噪聲為：

其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕度溫度，gm為MOS管的跨導(dǎo)。輸入閃爍噪聲如式(9)所示。

2.3 快速啟動(dòng)低通濾波電路

對(duì)于普通的RC濾波電路，其截止頻率如式(11)所示：

由式(10)可以看出濾除噪聲的效果越好，RC低通濾波電路的啟動(dòng)時(shí)間就越長(zhǎng)。針對(duì)這一缺點(diǎn)，提出了一種快速啟動(dòng)的RC低通濾波電路。如圖4所示。

M1為開關(guān)管，M2～M6工作在深三極管區(qū)，可以看作是一系列的電阻串聯(lián)。電路啟動(dòng)瞬間，VCTRL為低電平，M1導(dǎo)通，給電容C0充電，當(dāng)VI=VO時(shí)，VCTRL轉(zhuǎn)換為高電壓，M1關(guān)斷，此時(shí)，RC濾波電路開始工作。其中兩個(gè)反相器級(jí)聯(lián)對(duì)誤差放大器(EA)輸出電壓進(jìn)行數(shù)字化處理，使VCTRL更有效地控制開關(guān)M1。

本設(shè)計(jì)中電容C的取值在納法量級(jí)，很難集成到芯片內(nèi)部[11]，所以采用芯片外部連接電容的方式，同時(shí)也會(huì)相應(yīng)的增加一個(gè)芯片引腳。

3 版圖和整體電路仿真3.1 版圖

圖5所示為L(zhǎng)DO的版圖，整體芯片面積大約0.03 mm2。傳統(tǒng)的LDO僅需要兩個(gè)運(yùn)放，本設(shè)計(jì)多使用了兩個(gè)運(yùn)放來滿足低噪聲和快速啟動(dòng)的實(shí)際需要，雖然相對(duì)來說增大了芯片的面積，但其性能上的優(yōu)勢(shì)足以彌補(bǔ)面積上的損耗。

3.2 整體電路仿真

采用Cadence Spectre工具對(duì)整體電路仿真測(cè)試，圖6所示為L(zhǎng)DO整體電路測(cè)試結(jié)果。其中VDD=5 V，VOUT輸出標(biāo)準(zhǔn)電源電壓3.3 V。由圖可以看出電路啟動(dòng)時(shí)間小于1 ms，整體電路有較好的穩(wěn)定性。

圖7所示對(duì)電路的LNR進(jìn)行仿真，VDD在4～6 V范圍內(nèi)變化，VOUT僅改變了16.4 mV。

通過計(jì)算可知其LNR為：

圖8所示為電路LDR測(cè)試結(jié)果。其中負(fù)載電流在1～30 mA范圍內(nèi)變化，輸出電壓僅變化了0.25 mV。通過式(15)可以計(jì)算得出LDR為：

圖9所示為輸出噪聲的仿真結(jié)果，圖中所示的輸出噪聲密度(單位V/sqrt(Hz))曲線是對(duì)輸出噪聲功率(單位V2/Hz)進(jìn)行開平方運(yùn)算。

經(jīng)計(jì)算，在1 kHz～100 kHz(陰影部分面積)范圍內(nèi)的噪聲積分為34.94 μVrms。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種給MMIC中LNA供電的電源模塊，其性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。從具體數(shù)據(jù)對(duì)比中可以看出本文設(shè)計(jì)的電源模塊集成了電壓基準(zhǔn)源，并且具有較寬的輸出電壓范圍和較小的輸出噪聲，各性能參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)應(yīng)用的要求。