1.5GHz BiCMOS級間電感匹配低噪聲放大器設(shè)計(jì)

在一個無線接收系統(tǒng)中，為了獲得良好的總體系統(tǒng)性能，需要一個性能優(yōu)越的前端，而低噪聲放大器（LNA）就是前端的一個重要組成部分。

由于共源共柵級結(jié)構(gòu)能同時(shí)滿足噪聲和功率匹配的要求，因此在LNA的設(shè)計(jì)中被廣泛采用。但共源級和共柵級之間的匹配是個關(guān)鍵問題，筆者通過在其之間插入一個級間匹配電感，使得這個問題得以解決。

低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)

低噪聲放大器作為射頻信號傳輸鏈路的第一級，必須滿足以下要求：首先,具有足夠高的增益及接收靈敏度；其次，具有足夠高的線性度，以抑止干擾和防止靈敏度下降；第三，端口匹配良好，信號能夠有效地傳輸。另外,還要滿足有效隔離、防止信號泄漏以及穩(wěn)定性等方面的要求。

通常，射頻電路端口要與50Ω阻抗匹配，為了滿足輸入端功率匹配條件，一般采用源極串聯(lián)電感反饋匹配結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖2是該結(jié)構(gòu)的小信號圖。

圖1  源極串聯(lián)電感反饋匹配結(jié)構(gòu)

圖2 源極串聯(lián)電感反饋匹配結(jié)構(gòu)的小信號圖

在圖1、圖2中，Lg為柵極串連電感，LS為源極串連電感，Cgs為等效柵源電容。由圖2可得：

（1）

當(dāng)諧振時(shí)有：

（2）

其中，

這種結(jié)構(gòu)用電感來等效實(shí)電阻進(jìn)行阻抗匹配，沒有引入過多的噪聲，因此被廣泛采用。

噪聲分析及優(yōu)化

低噪聲放大器中的噪聲主要包括溝道電流噪聲、感應(yīng)柵電流噪聲和柵電阻噪聲，其小信號等效電路如圖3所示。

圖3 小信號等效噪聲電路

其中，溝道電流噪聲是載流子和熱振動原子的隨機(jī)碰撞引起的，其表達(dá)式為

（3）

式中，gd0為漏源偏置為0時(shí)的漏極輸出電導(dǎo)； 為MOS管的跨導(dǎo)； 為與器件工藝和偏置相關(guān)的常數(shù)，值為2/3～2；α=gm/gd0 ＜1。

另外一個噪聲源是柵電阻噪聲，通過多指狀柵的結(jié)構(gòu)縮減柵電阻的方法可以減小它。

柵電流噪聲則是由于溝道載流子的擾動經(jīng)由柵電容耦合到柵極形成的，其表達(dá)式為

（4）

其中，；δ表示柵噪聲系數(shù)，值在4/3～15/2之間。

噪聲系數(shù)F定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值：

（5）

式中，G表示功率增益。這里的噪聲是指總的輸出噪聲與源阻抗在輸出端產(chǎn)生的噪聲的比值，因此我們得到這種結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)為

（6）

（7）

（8）

式中，RS為源阻抗，RL和Rg分別是Lg的等效寄生電阻和MOS管的柵電阻。

在圖1中，忽略了Cgd的影響，但它的存在對電路的影響很大，因?yàn)檩敵鰰ㄟ^它反饋到輸入，一方面惡化噪聲性能，另一方面促使電路不穩(wěn)定。所以，要采用兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)來抑制柵漏電容，這樣不僅提高了穩(wěn)定性，改善了噪聲性能，還能提供較大增益。不過最關(guān)鍵的就是在兩個MOS管M1和M2之間插入一個片上集成電感Lm，如圖4所示。

圖4  共源共柵結(jié)構(gòu)的LNA

原因是M1和M2為單獨(dú)的管子，它們之間存在較大的寄生電容，影響了信號的傳輸，從而惡化噪聲系數(shù)。而加入的電感能加強(qiáng)他們之間的匹配，使噪聲性能和增益有所改善。

根據(jù)不同的級間匹配電感值，增益和噪聲的變化如圖5和圖6所示。

圖5 不同電感值增益的變化

圖6 不同電感值噪聲的變化

由上圖的結(jié)果可知，當(dāng)匹配電感的值取5nH時(shí)，效果最理想。

設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用單端結(jié)構(gòu)，全單片集成，具體電路見圖7。

圖7 低噪聲放大器電路圖

整個設(shè)計(jì)基于了TSMC 0.35μm鍺硅射頻工藝模型。為了提高集成度，所有的電感都采用片上集成電感，為平面螺旋八邊形，用頂層金屬繞制而成。輸出端采用的是LC槽電路，諧振時(shí)阻抗很大，有選頻和提高增益的作用。

為了降低功耗，電源電壓為1.5V，工作頻率1.5G，靜態(tài)功耗約為16.5mW。用Cadence中spectreRF進(jìn)行仿真，得到輸入反射系數(shù)（S11）和輸出反射系數(shù)（S22）分別為－7.4dB和－20.8dB。

由于采用級間匹配電感，中心頻率處的電路增益提高了約3dB，達(dá)17.7dB，提高了約20％；噪聲系數(shù)降低了約     0.45dB，為2.05dB，降低了約18％，變化曲線如圖8和圖9所示。

圖8  匹配前后的增益變化

圖9  匹配前后的噪聲變化

低噪聲放大器除了提供較低的噪聲，較高的增益外，還需要有較好的線性度，以避免較強(qiáng)信號的干擾。線性度一般用三階交調(diào)點(diǎn)（IP3）來衡量，包括輸入三階交調(diào)點(diǎn)（IIP3）和輸出三階交調(diào)點(diǎn)（OIP3），可以采用雙音測試法來測量，即在輸入端加入兩個頻率相近幅值相等的兩個信號，然后改變幅值來測量，結(jié)果如圖10所示。輸入三階交調(diào)點(diǎn)（IIP3）約為5.2dBm。

圖10 放大器的線性度（IIP3）

參考文獻(xiàn)

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