1.5GHz BiCMOS級間電感匹配低噪聲放大器設計

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。

由于共源共柵級結構能同時滿足噪聲和功率匹配的要求，因此在lna的設計中被廣泛采用。但共源級和共柵級之間的匹配是個關鍵問題，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構

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)電感反饋匹配結構，如圖1所示。圖2是該結構的小信號圖。

這種結構用電感來等效實電阻進行阻抗匹配，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、感應柵電流噪聲和柵電阻噪聲，其小信號等效電路如圖3所示。

其中，溝道電流噪聲是載流子和熱振動原子的隨機碰撞引起的，其表達式為

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

另外一個噪聲源是柵電阻噪聲，通過多指狀柵的結構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構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，但它的存在對電路的影響很大，因為輸出會通過它反饋到輸入，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)結構來抑制柵漏電容，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。不過最關鍵的就是在兩個mos管m1和m2之間插入一個片上集成電感l(wèi)m，如圖4所示。

原因是m1和m2為單獨的管子，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。

由上圖的結果可知，當匹配電感的值取5nh時，效果最理想。

設計與仿真結果

本設計采用單端結構，全單片集成，具體電路見圖7。

整個設計基于了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，以避免較強信號的干擾。線性度一般用三階交調點（ip3）來衡量，包括輸入三階交調點（iip3）和輸出三階交調點（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，結果如圖10所示。輸入三階交調點（iip3）約為5.2dbm。