5.6GHz CMOS低噪聲放大器設(shè)計

摘要：分析了一種射頻COMS共源-共柵低噪聲放大器的設(shè)計電路，采用TSMC 90nm低功耗工藝實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)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(diǎn)為-21．72dBm；輸入?yún)⒖既A交調(diào)點(diǎn)為-11．75dBm。在l．2V直流電壓下測得的功耗約為25mW。
關(guān)鍵詞；互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(jī)前端的主要部分。它主要有四個特點(diǎn)：首先，它位于接收機(jī)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(chǎn)生非線性失真，它的增益又不宜過大。放大器在工作頻段內(nèi)應(yīng)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(dá)到最大傳輸功率或最小的噪聲系數(shù)。第四，應(yīng)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(nèi)，CMOS工藝相比其他工藝有價格低、集成度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，利用CMOS工藝來設(shè)計射頻集成電路已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用，本文即采用CMOS工藝來實(shí)現(xiàn)對一種5．6GHz低噪聲放大器的設(shè)計。

1 LNA結(jié)構(gòu)及性能分析
    由于帶源端負(fù)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(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn)，因此在無線收發(fā)機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。為了減小晶體管的Miller效應(yīng)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(jié)構(gòu)。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(diào)諧輸出與調(diào)諧輸入之間的相互作用，并同時減少M(fèi)l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(fù)反饋結(jié)構(gòu)，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(shí)現(xiàn)50Ω阻抗匹配，通過調(diào)諧感抗，使其在諧振頻率ωo處諧振，上式的虛部為零，實(shí)部等于50Ω。這種匹配設(shè)計的好處在于使用等效電阻實(shí)現(xiàn)與輸入端的匹配，而無需引入實(shí)際電阻，因而減少了額外的熱噪聲。即如下式：
   
    這就是源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)在LNA設(shè)計中普遍采用的一個原因。在設(shè)計過程中，由式(3)根據(jù)M1的參數(shù)和50Ω匹配條件設(shè)計出Ls，再由式(2)根據(jù)工作頻率點(diǎn)和濾波要求確定柵極電感Lg。[!--empirenews.page--]
    文獻(xiàn)中給出源極電感負(fù)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(guān)的一個噪聲參數(shù)。工藝參數(shù)X，α和反饋電感Ls的品質(zhì)因數(shù)QL的表達(dá)式為
   
   
式中：c為柵-漏極噪聲的相關(guān)系數(shù)；σ是另一個與工藝相關(guān)的噪聲參數(shù)，且σ=2λ；gdO為M1零偏置時的跨導(dǎo)。
    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(shè)計
    設(shè)計過程中，首先根據(jù)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(zhì)因數(shù)，取其值為4．5，可得柵寬大約為160 μm。所設(shè)計電路工作在5．6GHz，由式(1)(2)經(jīng)計算和仿真，取Ls為0．439nH，Lg為2．873nH和Ld為2．546nH。

3 仿真結(jié)果及其分析
    本文設(shè)計的LNA采用TSMC 90nm RFCMOS低功耗工藝實(shí)現(xiàn)，使用MentorGraphics的Eldo仿真器對該LNA進(jìn)行模擬分析。根據(jù)前面的分析和實(shí)際調(diào)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(jié)果。整個放大器電路的噪聲系數(shù)達(dá)到1．78dB；IIP3達(dá)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(jié)果指標(biāo)如表1所示：

4 結(jié)論
    由于存在很多折衷考慮，射頻LNA的設(shè)計很復(fù)雜。本文設(shè)計了一個應(yīng)用于無線接收機(jī)射頻前端的LNA，通過對共源共柵結(jié)構(gòu)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(jìn)行優(yōu)化，設(shè)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(jìn)行了仿真，結(jié)果顯示，LNA的阻抗匹配、噪聲系數(shù)和線性度等參數(shù)都達(dá)到了良好的性能。
    本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：在分析共源共柵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上利用先進(jìn)的90nm制程工藝，計算調(diào)試出5．6GHz的LNA的電路結(jié)構(gòu)，對LNA的設(shè)計具有一定的參考價值。