1.5GHz BiCMOS級(jí)間電感匹配低噪聲放大器設(shè)計(jì)

在一個(gè)無(wú)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(gè)性能優(yōu)越的前端，而低噪聲放大器（lna）就是前端的一個(gè)重要組成部分。

由于共源共柵級(jí)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(jí)和共柵級(jí)之間的匹配是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，筆者通過(guò)在其之間插入一個(gè)級(jí)間匹配電感，使得這個(gè)問(wèn)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(hào)傳輸鏈路的第一級(jí)，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(hào)能夠有效地傳輸。另外,還要滿足有效隔離、防止信號(hào)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(hào)圖。

這種結(jié)構(gòu)用電感來(lái)等效實(shí)電阻進(jìn)行阻抗匹配，沒(méi)有引入過(guò)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(hào)等效電路如圖3所示。

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

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(gè)噪聲源是柵電阻噪聲，通過(guò)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(dòng)經(jīng)由柵電容耦合到柵極形成的，其表達(dá)式為

噪聲系數(shù)f定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值：

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

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(duì)電路的影響很大，因?yàn)檩敵鰰?huì)通過(guò)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(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)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(guò)最關(guān)鍵的就是在兩個(gè)mos管m1和m2之間插入一個(gè)片上集成電感l(wèi)m，如圖4所示。

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(hào)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(jí)間匹配電感值，增益和噪聲的變化如圖5和圖6所示。

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(jiàn)圖7。

整個(gè)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(jí)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。

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(hào)的干擾。線性度一般用三階交調(diào)點(diǎn)（ip3）來(lái)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(cè)試法來(lái)測(cè)量，即在輸入端加入兩個(gè)頻率相近幅值相等的兩個(gè)信號(hào)，然后改變幅值來(lái)測(cè)量，結(jié)果如圖10所示。輸入三階交調(diào)點(diǎn)（iip3）約為5.2dbm。