2.0GHz差分結(jié)構(gòu)低噪聲放大器研析
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論文導(dǎo)讀:：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于TSMC0.18µmCMOS工藝的2.0GHz全差分CMOS低噪聲放大器。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)LNA進(jìn)行功耗約束下的噪聲優(yōu)化，以選取最優(yōu)的晶體管柵寬；采用在輸入級(jí)增加電容和選擇小值LC并聯(lián)網(wǎng)作為差分電路的負(fù)載的方法，在改善輸入匹配網(wǎng)絡(luò)特性的同時(shí)，提高了電路的增益。仿真結(jié)果表明該放大器很好的滿足了小信號(hào)放大器的指標(biāo)要求，可以用于射頻輸入電路的前端。
論文關(guān)鍵詞：差分結(jié)構(gòu)，低噪聲放大器，噪聲系數(shù)，輸入匹配，CMOS工藝
0 引言
隨著無線通信技術(shù)的飛躍發(fā)展，低噪聲放大器在通訊、衛(wèi)星導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙測(cè)遙控、大地測(cè)繪、數(shù)字電視以及微波測(cè)量等方面得到廣泛的應(yīng)用，并且朝著高集成度和高性能性能低功耗低成本的方向發(fā)展[1,2]。
低噪聲放大器是射頻接收機(jī)前端的重要組成部分和關(guān)鍵模塊。它的主要作用是放大接收到的微弱信號(hào)，使其有有足夠高的增益以克服后續(xù)各級(jí)(如混頻器)的噪聲，并盡可能少地降低附加噪聲的干擾。采用CMOS工藝[3]設(shè)計(jì)低噪聲系數(shù)，高功率增益，帶頻寬等性能優(yōu)良的低噪聲放大器已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用，本文利用CMOS工藝來實(shí)現(xiàn)一種2 GHz差分結(jié)構(gòu)低噪聲放大器。
1 LAN的輸入阻抗匹配機(jī)構(gòu)
低噪聲放大器與信號(hào)源的匹配時(shí)非常重要的論文網(wǎng)，根據(jù)設(shè)計(jì)目的，放大器與源的匹配有兩種形式：一是以獲得最小噪聲系數(shù)為母的噪聲匹配；二是以獲得最大功率傳輸和最小反射損耗為目的共軛匹配。在高頻段一般采用后種匹配，這樣可以避免因阻抗不匹配引起的LAN向天線的能量反射。同時(shí)，盡量使兩種匹配接近，匹配網(wǎng)絡(luò)可以用純電阻網(wǎng)絡(luò)，也可以用電抗網(wǎng)絡(luò)。電阻匹配網(wǎng)絡(luò)適用于寬帶放大，但他們要消耗功率并增加噪聲。采用無損耗的電抗匹配網(wǎng)絡(luò)不會(huì)增加噪聲，但只適合寬帶大。LAN的輸入端與濾波器相連，需要實(shí)現(xiàn)50Ω的輸入阻抗匹配，且滿足輸入功率的匹配條件，CMOSLAN有以下幾種結(jié)構(gòu)[4]，如圖1所示。
（a）共柵結(jié)構(gòu)（b）并聯(lián)電阻式（c）并串聯(lián)電阻式（d）源極電感負(fù)反饋式
圖1 LAN的阻抗匹配結(jié)構(gòu)圖
共柵接法（圖1（a））通過選擇適當(dāng)?shù)呐渲秒娏骱蚆OS管結(jié)合尺寸，使輸入電阻等于50Ω，可以實(shí)現(xiàn)匹配，不需要任何外部元器件，但噪聲較大。如在忽略襯底效應(yīng)的條件下，其輸入阻抗可等效為MOS管跨導(dǎo)的倒數(shù)
并聯(lián)電阻式（圖1（b））將一個(gè)50Ω的電阻直接并聯(lián)在共源MOS管的柵極輸入端。這種結(jié)構(gòu)引入了與源電阻一樣大的熱噪聲論文網(wǎng)，并使信號(hào)在達(dá)到晶體管之前已衰減了一半，噪聲系數(shù)非常高。
并串聯(lián)電阻式（圖1（c））是將電阻跨接在輸入端和輸出端之間，形成并聯(lián)反饋式。該電阻不會(huì)衰減輸入信號(hào)，噪聲與并聯(lián)電阻式相比降低了很多。但是同樣會(huì)給電路引入熱噪聲。并且這種電阻實(shí)現(xiàn)的是寬帶匹配，會(huì)增加電路的額外功耗，不適用于功耗要求較低窄帶無線電系統(tǒng)。
由于前三種在信道上出現(xiàn)了熱噪聲電阻，所以都會(huì)產(chǎn)生較高的噪聲。如果能夠在信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ郎媳苊膺@種熱噪聲電阻，就可以大大降低電路的噪聲，通過柵極和源極的電感構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，其構(gòu)成如圖1（d）所示。
2 差分結(jié)構(gòu)LAN的構(gòu)成
在直接耦放大電路中，常常出現(xiàn)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象[5]，為了降低噪聲和克服零點(diǎn)漂移，一般在直接放大器的輸入級(jí)采用差分放大電路，與單端放大器相比，差分結(jié)構(gòu)的放大器可以很好的克服零點(diǎn)漂移和較好的抑制噪聲，這在無線電應(yīng)用中是非常重要的，雖然差分結(jié)構(gòu)放大器的功耗是單端放大器的兩倍論文網(wǎng)，為了提高電路的性能，實(shí)際應(yīng)用中常常采用差分結(jié)構(gòu)放大器，其基本構(gòu)成如圖2，電路設(shè)計(jì)方案如圖3。
圖2 差分結(jié)構(gòu)LAN的基本構(gòu)成圖圖3 差分結(jié)構(gòu)LAN
由于電路采用的是差分結(jié)構(gòu)，所以圖中各對(duì)應(yīng)的元器件是完全相同的。
3.1 差分結(jié)構(gòu)LAN的電路設(shè)計(jì)
3.1.1 共柵-共源輸入端口的設(shè)計(jì)
在LAN的設(shè)計(jì)中，輸入電路采用的共柵-共源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在此結(jié)構(gòu)中，既能實(shí)現(xiàn)阻抗良好匹配，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且具有改善 LNA線性度的特點(diǎn)，而 M1和M3組成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，既提高了電路的輸出阻抗，使電路的增益有較大的提高，降低了調(diào)諧輸入和調(diào)諧輸出的相互影響，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的反向隔離[6]。
圖4 共柵-共源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)
3.1.1 偏置電路設(shè)計(jì)
IDC1電流源，為電路提供穩(wěn)定的配置電流，R1和R2對(duì)稱的兩個(gè)偏置電阻論文網(wǎng)，IDC2是電流源，用于限制流過M5的電流，以減小總功耗。為了完成偏置電路的設(shè)計(jì)，還必須有一個(gè)隔斷DC的電容Cp來防止影響M1的柵-源偏置，Cp選擇的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，電路正常工作時(shí)，阻抗可以忽略，并且它常常用片外部件來實(shí)現(xiàn)，其值通常選取在10pF。M5是輸出緩沖級(jí)，用于提高增益，控制輸出匹配。
3.2.2 輸入匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)
圖5是改進(jìn)型的低噪聲放大器的輸入電路，是在圖4的M1柵極和源極之間并一個(gè)電容
，用來調(diào)節(jié)柵-源電容
，實(shí)現(xiàn)功率約束下的噪聲和輸入匹配。由于是差分對(duì)稱結(jié)構(gòu)，我們考慮到一邊
圖5 LAN的結(jié)構(gòu)與阻抗匹配結(jié)構(gòu)圖 圖6 LAN的輸入等效電路模型
的輸入級(jí)晶體管M1，對(duì)于輸入端口設(shè)計(jì)采用源極電感負(fù)反饋式，在忽略源級(jí)電感、柵極電感的等效電阻及漏-柵級(jí)之間的電容Cgd的情況下論文網(wǎng)，輸入阻抗的表達(dá)式為：
（1）
（2）
將
、
和代入（1）得（3）
（4）
再加上柵極的匹配電感可得：
（5）
電路諧振時(shí)
（6）
（7）
（8）
此時(shí)得到:
（9）
為輸入阻抗，
是跨導(dǎo)，ωT為截止頻率，
和
分別是源級(jí)電感和柵極電感。根據(jù)諧振條件，通過改變并聯(lián)電容來等效調(diào)節(jié)的大小，再選擇合適的
、的值，使輸入阻抗
為50Ω。。而輸出阻抗的匹配可以通過調(diào)節(jié) 
、
與 
的值來實(shí)現(xiàn)。
另外，從有利于電路集成實(shí)現(xiàn)和降低噪聲系數(shù)的角度考慮，應(yīng)當(dāng)盡量避免使用大值電感。為了解決上述矛盾，可在M1的輸入端設(shè)計(jì)一個(gè)小值 LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以代替大值柵極電感，這里不再贅述[6]。
3.2.3 柵寬的選取及其相關(guān)參數(shù)的計(jì)算
由于電路的噪聲性能和M1的柵寬的選取有必要的關(guān)系，理論上講M1的柵寬越大噪聲越小，但如果柵寬過大會(huì)面積增加，功耗增加，增益降低，這就需要在柵寬、功耗、增益等指標(biāo)增加綜合考慮論文網(wǎng)，權(quán)衡設(shè)計(jì)，圖4所示電路中，按照功率約束條件，可以得到M1的最優(yōu)柵寬表達(dá)式[7]：
（10）
其中Cox是單位面積氧化層電容，L是有效柵長(zhǎng)，兩個(gè)參數(shù)有工藝決定，根TSMC0.18μmCMOS工藝參數(shù)計(jì)算得到Cox=8.91mF/m2，L=0.18μm，ω0=2π×2.0×109，Rs=50Ω，Qsp是最佳品質(zhì)因數(shù)，噪聲系數(shù)對(duì)于在3.5到5.5之間的Qsp值是不敏感的，我們?nèi)sp值為4.5，代入（10）計(jì)算得M1、M1的Wopt（M2的柵寬約為M1柵寬的十分之一）。
（11）
（12）
（13）
取
為0.37
，則有（3）、（8）、（9）式分別得：
（14）
（15）
（16）
3.2.4 噪聲的優(yōu)化
根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的研究[7，8,9]，MOS管的最小噪聲系數(shù)可以表示為：
（17）
在功率約束條件下可得到最優(yōu)器件的柵寬表達(dá)式論文網(wǎng)，如式（10）,對(duì)于柵寬為 Wopt 的器件，功率約束條件下的噪聲系數(shù)為
（18）
其中
和與MOS管的溝道長(zhǎng)度有關(guān)，由工藝給出。
另外，為了為了進(jìn)一步提高LNA的增益，利用一個(gè)小值ＬＣ并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)代替大感值的柵極電感作為差分電路的負(fù)載阻抗[10,11]。綜合考慮足夠高的增益，足夠多的線性范圍和較低的功耗，LAN的工作電壓1.8V，偏置直流電流0.7mA,功耗15mW 。
4 結(jié) 論
本文通過對(duì)共源共柵結(jié)構(gòu)LAN的研究分析，從阻抗匹配、噪聲系數(shù)、線性度、柵寬的最優(yōu)化等方面對(duì)電路的性能進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了一種2.0GHz的低噪聲放大器。在 0.18 μm CMOS 工藝下，利用SpectreRF 軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真，結(jié)果顯示，LNA的功率增益、阻抗匹配、噪聲系數(shù)和線性度等參數(shù)都達(dá)到了良好的性能。
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