摘要：分析了一種射頻COMS共源-共柵低噪聲放大器的設計電路，采用TSMC 90nm低功耗工藝實現(xiàn)。仿真結果表明：在5．6GHz工作頻率，電壓增益約為18．5dB；噪聲系數(shù)為1．78dB；增益1dB壓縮點為-21．72dBm；輸入參考三階交調點為-11．75dBm。在l．2V直流電壓下測得的功耗約為25mW。
關鍵詞；互補金屬氧化物半導體；低噪聲放大器；噪聲系數(shù)；線性度；
0 引言
低噪聲放大器(LNA)是射頻接收機前端的主要部分。它主要有四個特點：首先，它位于接收機的最前端，這就要求它的噪聲越小越好。為了抑制后面各級噪聲對系統(tǒng)的影響，還要求有一定的增益，但為了不使后面的混頻器過載，產生非線性失真，它的增益又不宜過大。放大器在工作頻段內應該是穩(wěn)定的。其次，它接受的信號是很微弱的，所以低噪聲放大器必定是一個小信號線性放大器。第三，低噪聲放大器一般通過傳輸線直接和天線相連，放大器的輸入端必須與其有很好的匹配，以達到最大傳輸功率或最小的噪聲系數(shù)。第四，應具有一定的選頻功能，抑制帶外和鏡像頻率干擾。
在GHz頻率范圍內，CMOS工藝相比其他工藝有價格低、集成度高、功耗低等優(yōu)點，利用CMOS工藝來設計射頻集成電路已經得到越來越廣泛的應用，本文即采用CMOS工藝來實現(xiàn)對一種5．6GHz低噪聲放大器的設計。
1 LNA結構及性能分析
由于帶源端負反饋電感的共源放大器具有噪聲系數(shù)低、增益高、線性度好，以及可實現(xiàn)輸入阻抗匹配等優(yōu)點，因此在無線收發(fā)機系統(tǒng)中得到廣泛應用。為了減小晶體管的Miller效應和有限輸出阻抗對放大器性能的影響，并提供良好的方向隔離性能，低噪聲放大器通常采用Cascode結構。具體電路如圖1所示。
共柵方式連接的晶體管M2用來減少調諧輸出與調諧輸入之間的相互作用，并同時減少Ml的Cgd的影響。晶體管；M3基本上是與M1形成一個電流鏡，通過M3的電流是由電源電壓和Rref以及M3的Vgs決定的。電阻RBIAS選擇得足夠大，所以它的等效噪聲電流小到足以被忽略。為了完成偏置，必須用一個隔斷DC的電容CB來防止影響M1的柵源偏置。
M1源級接Ls，形成源級負反饋結構，柵極接Lg，做輸入匹配使用。若忽略柵漏電容Cgd，則其輸入阻抗可以表示為：
其中Lg、Ls為片上平面螺旋電感。為了實現(xiàn)50Ω阻抗匹配，通過調諧感抗，使其在諧振頻率ωo處諧振，上式的虛部為零，實部等于50Ω。這種匹配設計的好處在于使用等效電阻實現(xiàn)與輸入端的匹配，而無需引入實際電阻，因而減少了額外的熱噪聲。即如下式：
這就是源極負反饋結構在LNA設計中普遍采用的一個原因。在設計過程中，由式(3)根據M1的參數(shù)和50Ω匹配條件設計出Ls，再由式(2)根據工作頻率點和濾波要求確定柵極電感Lg。
文獻中給出源極電感負反饋的噪聲模型和計算噪聲的公式：
式中：RL、Rg分別代表柵極電感Lg的寄生電阻和M1的柵極電阻；ωT為截止頻率；γ是與工藝有關的一個噪聲參數(shù)。工藝參數(shù)X，α和反饋電感Ls的品質因數(shù)QL的表達式為
式中：c為柵-漏極噪聲的相關系數(shù)；σ是另一個與工藝相關的噪聲參數(shù)，且σ=2λ；gdO為M1零偏置時的跨導。
分析式(4)可知，QL存在一個最佳值，使LNA的噪聲為最小
2 LNA電路設計
設計過程中，首先根據功耗約束條件下獲得最優(yōu)噪聲的柵寬公式，計算主放大管的柵寬
式中，ω為角頻率，L為柵長，Cox為柵氧化層電容，源電阻Rs=50Ω，QSP為噪聲最優(yōu)匹配時輸入端的品質因數(shù)，取其值為4．5，可得柵寬大約為160 μm。所設計電路工作在5．6GHz，由式(1)(2)經計算和仿真，取Ls為0．439nH，Lg為2．873nH和Ld為2．546nH。
3 仿真結果及其分析
本文設計的LNA采用TSMC 90nm RFCMOS低功耗工藝實現(xiàn)，使用MentorGraphics的Eldo仿真器對該LNA進行模擬分析。根據前面的分析和實際調試，得到優(yōu)化后放大管和共柵管的柵寬均為160 μm；
圖2～7給出了電路的仿真結果。整個放大器電路的噪聲系數(shù)達到1．78dB；IIP3達到-11．76dB。在整個工作頻段，電路的穩(wěn)定性因子K>1，其中K為：
電路是穩(wěn)定的。
各項仿真結果指標如表1所示：
4 結論
由于存在很多折衷考慮，射頻LNA的設計很復雜。本文設計了一個應用于無線接收機射頻前端的LNA，通過對共源共柵結構的分析，從阻抗匹配、噪聲系數(shù)和線性度的角度對電路的性能進行優(yōu)化，設計出了一種5．6GHz的LNA。在90nm CMOS工藝下，利用MentorGralahics的Eldo工具軟件對電路進行了仿真，結果顯示，LNA的阻抗匹配、噪聲系數(shù)和線性度等參數(shù)都達到了良好的性能。
本文作者的創(chuàng)新點：在分析共源共柵結構的基礎上利用先進的90nm制程工藝，計算調試出5．6GHz的LNA的電路結構，對LNA的設計具有一定的參考價值。
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