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CMOS低噪声放大器中的输入匹配研究与设计




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1 引言

作为接收机的第一级,LNA的性能对整个接收机系统的性能起着至关重要的作用,因为整个系统的信噪比(SNR)很大程度上取决于LNA的噪声系数(NF)和增益。因此,设计性能良好的LNA成为射频前端设计的重要目标。由于低噪声放大器的各个指标常常会发生矛盾,彼此不能兼顾,因此设计是在噪声系数、增益、稳定性、阻抗匹配以及线性范围等指标之间采取折中考虑。最近很多射频集成电路都是采用CMOS工艺来实现的,尤其是0.18μm的CMOS工艺很适于集成的SOC设计[1-2]。

目前最常见的输入匹配结构是源极电感负反馈结构,该结构有利于获得高增益和低噪声系数,但是存在较大的缺陷,即需要提供一个大感值的栅极电感(Lg)。在实际标准的CMOS工艺下集成实现一个大感值的片上螺旋电感往往比较困难,而采用片外电感又不利于实现电路的集成及小型化,并且由于大感值栅极电感的寄生阻抗比较大,相应地产生热噪声也会比较大。该文采用改进型输入匹配结构,用一个并联的小值LC网络来代替电感值比较大的栅极电感,并从进一步降低噪声系数和简化电路的角度考虑,移除源极负反馈电感(Ls)[3]。

2 理论分析

传统的输入阻抗匹配结构是源极电感负反馈结构,其输入阻抗表达式为[4]

为满足式(3),栅极电感的感抗通常比较大。如前所述,从利于电路集成实现和降低噪声系数的角度考虑,应当尽量避免使用大值电感。该设计采用一个小值LC并联网络来代替。图1是LC并联网络及其等效电路。

如图所示,在并联LC网络中,假设电感为一个理想的感抗L1和一个电阻R1的串联,其等效阻抗为Z=jωL2+R2 (ω为低噪声放大器的中心工作

根据式(4),如果能满足0<1-ω2L1C1<1,那么L2的电感值将比L1大,并且随ω趋近ω01,L1将产生更大的电感L2。这样栅极电感Lg便可以用一个电感值较小的LC并联网络来代替产生。在传统输入匹配结构中,源极负反馈电感用来满足50Ω阻抗匹配,但是它会产生热噪声并且不利于LNA增益的提高[5]。根据式(5),引入LC并联网络后,电感L1的寄生阻抗R1可以等效为一个比较大的阻抗R2来满足输入端50Ω的阻抗匹配。因此,移除Ls虽然对输入匹配性能稍稍产生不利影响,但是有利于降低噪声系数并提高电路结构的易集成度。改进的输入匹配结构见图2,其输入阻抗为

Zin=(jωL2-jωCgs)+(R2+Rg+Ri) (6)

式中: Ri, Rg, Cgs的具体定义见文献[3]。

由于电阻R2并不是一个实际的物理阻抗,而是由R1等效而来,因此其产生的热噪声比相同阻抗值的实际物理电阻产生的热噪声要小。这样,通过移除Ls并利用LC网络小值寄生阻抗来进行阻抗匹配,可以进一步降低LNA的噪声系数。

3 电路设计

采用改进的输入匹配,基于BSIM30.18μm模型,设计出了适用于无线接收机用CMOS宽带(5.1~5.8GHz)低噪声放大器的电路结构。

宽带低噪声放大器设计的关键是提供足够的增益来克服接收机以下几级引入的噪声干扰,而其自身的噪声系数则要尽量低,同时还要具备好的输入输出阻抗匹配及良好的线性动态范围。该设计采用两级放大并采纳改进的输入阻抗匹配结构。L1的电感值为1nH,C1的电容值为0.57pF,根据式(1),(2),该LC并联网络会产生3nH的等效电感L2和25Ω的等效电阻R2,MOS管M1和M2的栅宽为120μm,根据式(3),总的输入阻抗约为35Ω。

为进一步提高LNA的增益,选择LC并联网络作为第一级和第二级的负载阻抗,根据式(7) ~(9),可以确定负载LC网络的具体参数值

式中:Rs为源阻抗;Q为电感Ld2的品质因数。LNA第二级对线性动态范围起着至关重要的作用,为了抑制线性动态范围恶化,图2所示的MOS管M3和M4的栅宽略大于MOS管M1和M2,第二级的直流偏压也同样略高于第一级,因为大的直流偏压可以改进LNA的线性度。同时考虑整个LNA的功耗限制,MOS管M3和M4的栅宽不宜过大,这里选择为150μm,第一级和第二级直流偏压分别设置为0.6和0.65V[6]。

C_block1,C_block2和C_block3均为隔直电容,它们的容值均选择为10pF。综合考虑足够的增益、足够大的线性范围和较低的功耗,该设计中LNA工作电压1.5V,偏置直流电流0.6mA,功耗9mW。

4 结果及讨论

基于改进型输入匹配结构设计的工作频段为5.1~5.8GHz的宽带,CMOS低噪声放大器的各项性能参数由ADS(advanceddesignsystem)仿真给出。

图3给出输入阻抗匹配S参数S11以及增益S21仿真曲线。从图中可以看出,移除源端负反馈电感对输入匹配有一定的不利影响,但是一般低于-10dB的S11值即可满足实际应用[4]。该LNA在工作频段5.3~5.8GHz内可以满足S11低于-10dB,而5.3GHz以下的工作频段由于偏离ω01值较多,对输入阻抗匹配性能稍稍产生不利影响。因此,用小值LC并联网络替代栅极大值电感,并移除源端负反馈电感,可以满足良好的输入阻抗匹配。该宽带LNA的增益在工作带宽内可以达到15dB以上,满足正常的增益放大需求。

在5.1~5.8GHz频段内,LNA的噪声系数为2.75~3.65dB(图4)。这样低的噪声系数在WLAN宽带应用中是可以被接受的。

 

图5是反向增益曲线,可以看出,工作频带内反向增益S参数S12为-105~-95dB,根据LNA稳定系数K的定义

当K>1且Δ <1时,LNA将无条件稳定,输入输出阻抗匹配良好时,只要降低反向增益S12的值即可增加稳定系数K值[7]。因此该宽带低噪声放大器的稳定性很好,这对于低噪声放大器的正常工作是非常重要的。

LNA还有一个重要的性能参数,即线性度。图6为仿真结果1dB压缩点P1dB曲线图,由图可看出,P1dB约为-10dBm,线性度良好,有利于不失真地对大信号进行放大。

4 结语

在对传统源极电感负反馈输入结构分析的基础上加以改进,利用一个小值LC并联网络代替大感值的栅极电感,并从简化电路和进一步降低噪声的角度考虑,移除源极负反馈电感。将改进的输入匹配应用到适用于无线接收机用的宽带低噪声放大器的设计中,结果表明,虽然输入匹配性能稍稍有点恶化,但是仍然可以满足实际的应用需要,并且工艺上电感值小的片上螺旋电感更易实现,电路的整体噪声性能也得到改善,可以应用到工作频率在5.1~5.8GHz的无线接收机中。

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