采用噪聲消除技術的3～5 GHz CMOS超寬帶LNA設計
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2. 2 增益分析
對圖2進行分析和推導,可得到主放大電路的增益Amain ( s)的表達式:
式中, Zinx ( s)是X 處的對地阻抗。為加大電路增益可采取增大等效跨導Gm ,加大負載阻抗ZL 等辦法。但Gm , ZL 等參數(shù)均與頻率有關,這些參數(shù)的變化會影響增益平坦度,所以設計時需折衷考慮。
為了進一步提高主放大電路的增益,在輸出緩沖器M3 的柵極前串聯(lián)電感L3, 其增益提升原理可用圖4 ( a)所示的放大器等效模型加以解釋。CLoad可以看作是M3 的輸入電容。圖4 ( b)為模型的小信號等效電路。分析小信號等效電路的增益有:
由式(12)和式( 13)可知, 電感L3 的引入達到了提高增益的目的。當L 與CLoad在ω2 處諧振時有:
圖4
寬帶LNA中的輸出負載需要采用低Q 值電路。
圖4 (c)為輸出負載,圖4 ( d)為輸出負載的等效電路,Cout為放大電路的輸出電容。負載Q值可表示為ωRp(Cp +Cout )。使L2 與(Cp +Cout )諧振在所需要的頻點(ω1 ) ,再選擇合理的Rp 值,使Q值滿足帶寬要求即可。
由式(14)和對輸出負載的分析知,電路增益將出現(xiàn)兩個峰值頻點即ω1 和ω2。因此合理選擇Cd 和L3 的值,可以獲得良好的增益平坦度。通過仿真, 選取L2 =4. 6 nH, Rd =575Ω, Cd =5. 4 pF, L3 =715 nH。
2. 3 噪聲抵消分析
分析圖5 可知, Cascode結構的噪聲電流Ini流過反饋阻抗ZF ( s) 、電感Lg 和Rs ,在M1 的柵極和M2 的漏極分別產(chǎn)生兩個相位相近但幅度不同的噪聲電壓VZ, ni和VY, ni。如果通過反相放大器M4 將VZ, ni放大,通過同相放大器M3 將VY, ni放大后在輸出端疊加,就可以將Ini在輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓Vout, ni減小,而輸入信號將被分別放大后疊加 。VZ, ni、VY, ni和Vout, ni由式(15) (16) (17)表示:
其中M3、M4 的增益為:
定義等效噪聲阻抗:
圖5 噪聲消除技術原理圖
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