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射频LNA的低噪声LDO电源设计

更新时间:2016-07-05

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]

总目标:使学生牢固地掌握代数、平面几何、立体几何、三角和平面解析几何的基础知识,培养学生正确而迅速的计算能力、逻辑推理能力和空间想象能力,以适应参加生产劳动和进一步学习的需要.

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]

图1 LDO电路结构图

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]

首先,缺乏对教师核心素养和能力建设的观念。学校重心都放在学生能力的培养上,对教师只是在刚入职时进行培训,过后就很少组织进行教师能力提升方面的培训。其次,缺乏有效的激励机制。目前,高职院校虽然有顶岗制度,但对教师顶岗期间薪酬分配问题并没有规定,各学校按照自身的实际情况自行分配。教师在企业培训期间,承担了企业的一部分工作,但是没有获得相应的报酬,到企业进行实践的积极性也受到了很大的影响。学校和企业应积极构建有效的激励机制,鼓励教师入企实践。这不仅能提高教师的核心素养和能力,同时还能为企业创造更多的利润,实现双赢。

对电路的整体噪声进行分析,仅考虑主要噪声的影响,其他噪声可以忽略[6]。BG的噪声功率为,EA 的噪声功率是,R1、R2的噪声功率分别为由于 R1、R2构成反馈环路,则 R1、R2总的噪声功率可以表示为:

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。

馋猫鼻子尖啊!老鳜鱼,我正要喊你小子来,给我杀鸡,你倒灵性,自己提着刀子就来了。就这两只公鸡,杀吧,中午在我这儿吃顿饭。

在实际应用中通常某一频率范围内总的噪声功率的积分频率范围在1 kHz~100 kHz内,预调节环路输出的噪声功率可以表示为式(3)。

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。

其输入输出电压关系可以表示为式(12):

AMP的噪声密度表示为,输出电压 VOUT噪声功率如式(5)所示。

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。

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]

BG和EA的输出噪声功率如式(2)所示,其中A0为预调整电路闭环增益。

图2 带隙基准电路图

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)。

改革开放以来,中国政府总体上按照“保基本、全覆盖”的原则,推进基础教育、基本医疗和社会保障等社会事业的发展,促进逐步实现基本公共服务均等化。这样的社会事业发展政策,具有明显的包容性,对于提高全体居民的教育、医疗和社会保障水平具有至关重要的影响。

BG为主要噪声来源,其噪声功率如式(7)所示:

通过RC低通滤波模块后,前级电路中的高频噪声被有效滤除,可以得到式(4):

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。

心脏瓣膜病及瓣膜术后患者常常并发房颤,故患者在接受华法林抗凝的同时需要联合使用胺碘酮。胺碘酮及其代谢产物脱乙基胺碘酮可抑制肝脏细胞色素P450 2C9(CYP 2C9)的活性,使得华法林代谢过程受到影响,导致华法林血药浓度升高,华法林抗凝作用增强 [4,5]。《美国胸科医师协会抗栓与血栓预防临床实践指南(ACCP-9)》和《华法林抗凝治疗中国专家共识》均提示胺碘酮对华法林抗凝的影响为中度增强作用。

图3 折叠式共源共栅运放电路图

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:

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。

KP、KN是与工艺有关的常量,W、L表示 MOS管的栅宽和栅长,Cox为单位面积栅氧化层电容。可以得到图3所示运放的总输出噪声功率如式(10)所示,其中AV,EA为EA的放大倍数。

由式(8)~式(10)可以得出,通过增大 M3、M4的跨导,减小 M9、M10、M15、M16的跨导,并选择合适的放大倍数AV,EA,可以有效地降低运放的输出噪声。

2.3 快速启动低通滤波电路

通过变形可以得到式(13):

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2.死亡时间。据王清兰分析,体大膘肥的母猪易造成临产时胎儿死亡,死亡占出生仔猪总数的9.2%,占哺乳仔猪死亡总数的69.2%。又据河南正阳猪场的分析,3日龄以内死亡的仔猪占死亡总数的26.63%,4~7日龄占29.27%,8~15日龄占20.21%,16~20日龄占9.92%,21~25日龄占7.27%,26~35日龄占2.17%,36~45日龄占1.15%,46~60日龄占3.02%。加拿大对6 890头仔猪的分析,从出生到20日龄,仔猪死亡率为25.6%,其中分娩时死亡占死亡总数的15.3%,7日龄以内死亡占43.7%。可见,仔猪日龄越小,死亡率越高。

对于普通的RC滤波电路,其截止频率如式(11)所示:

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。

对供试种子样品进行处理,种子发芽势统计分析结果见表3。结果表明,不同处理上杭锥种子发芽势为7.61%~85.20%,处理6发芽势最高为85.20%。从R值可以得出,不同因素对上杭锥种子发芽势影响的主次顺序为B>A>C>D,依次为浸种温度、粒级分类、GA3浓度、萌发温度处理。根据各因素水平的平均值(ki)的大小比较可得最优水平组合为A1B2C1D2,即大粒种子在30℃温度下浸种后沥干,加入50mg·l-1GA3溶液浸种24h,放在萌发温度20℃的人工气候箱内萌发,种子发芽势最高。进一步经方差分析,浸种时间对上杭锥种子发芽势的影响是极显著 (P=0.0096< 0.01)。

图4 快速启动RC低通滤波电路图

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。

图5 LDO整体版图

3.2 整体电路仿真

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]

图6 LDO电路整体仿真图

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。

后面的那个紧跟着他。他们两个都没有脱掉鞋袜,虽然河水冰冷——冷得他们脚腕子疼痛,两脚麻木。每逢走到河水冲击着他们膝盖的地方,两个人都摇摇晃晃地站不稳,跟在后面的那个在一块光滑的圆石头上滑了一下,差一点没摔倒,但是,他猛力一挣,站稳了,同时痛苦地尖叫了一声。他仿佛有点头昏眼花,一面摇晃着,一面伸出那只闲着的手,好像打算扶着空中的什么东西。站稳之后,他再向前走去,不料又摇晃了一下,几乎摔倒。于是,他就站着不动,瞧着前面那个一直没有回过头的人。

图7 线性调整率仿真图

通过计算可知其LNR为:

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:

图8 负载调整率仿真图

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。

图9 输出噪声仿真图

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

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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。

表1 LDO性能参数对比

性能参数设计工艺/μm集成电压基准源输入电压(VDD)/V输出电压(VOUT)/V输出电流IO/mA线性调整率(LNR)/(mV/V)负载调整率(LDR)/(μV/mA)输出噪声/μVrms(1 k~100 kHz)文献[5]0.18是3.3 1.78>60 8 383 37.94文献[7]0.13否3.0~4.5 2.8>150 1 116 99.8本文0.18是5 1~4.2 0.5~35 8.2 83.3 34.94

参考文献

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宋飞,蔡俊,李杨,王飞
《电子技术应用》 2018年第05期
《电子技术应用》2018年第05期文献

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