由于成本低和集成度高等特點(diǎn)， CMOS技術(shù)正越來(lái)越多地應(yīng)用于無(wú)線射頻收發(fā)芯片的設(shè)計(jì)。低噪聲放大器作為射頻信號(hào)傳輸鏈路的第一級(jí)，整個(gè)系統(tǒng)的信噪比( SNR)很大程度上取決于低噪聲放大器(LNA)的噪聲系數(shù)(NF)和增益。因此，高性能的LNA成為射頻前端電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵模塊。其主要目的是提供較高的線性度以抑制干擾和防止靈敏度下降;提供足夠高的增益使其可以抑制后續(xù)級(jí)模塊的噪聲以及良好的輸入輸出阻抗匹配;同時(shí)按照無(wú)線通信設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)所要求的， LNA必須盡可能低的功耗。

Inductive2degenerate cascade 結(jié)構(gòu)式射頻LNA設(shè)計(jì)中使用最廣泛的結(jié)構(gòu)之一，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)能夠增加LNA的增益，降低噪聲系數(shù)，同時(shí)增加輸入與輸出級(jí)之間的隔離度，提高穩(wěn)定性。但是這種結(jié)構(gòu)也有一些缺陷，首先它需要提供一個(gè)大感值的柵極電感，大電感不利于集成而且寄生阻抗比較大，相應(yīng)產(chǎn)生熱噪聲也會(huì)比較大;而且共柵級(jí)的源端受到襯底寄生影響較大，導(dǎo)致信號(hào)損失，噪聲系數(shù)惡化。為了實(shí)現(xiàn)低功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益，一種CS2CS cascaded電流復(fù)用結(jié)構(gòu)得到了應(yīng)用，第二級(jí)共享了第一級(jí)的偏置電流，第一級(jí)的輸出通過(guò)一個(gè)耦合電容連接到第二級(jí)晶體管的柵極上，電路結(jié)構(gòu)反向隔離比較差，導(dǎo)致電路穩(wěn)定性弱。通過(guò)引入一個(gè)級(jí)間諧振電感可以有效地改善這個(gè)問(wèn)題，在低功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高增益，改善了穩(wěn)定性。

本文采用LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來(lái)取代柵極大電感，降低噪聲，節(jié)省芯片面積。同時(shí)采用了電流復(fù)用技術(shù)的兩級(jí)共源結(jié)構(gòu)，而且兩級(jí)間采用了級(jí)聯(lián)的諧振匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高增益，降低功耗。第二部分從理論上分析了所采用的新型結(jié)構(gòu)以及級(jí)間諧振電感的作用，第三部分設(shè)計(jì)了低噪聲放大器電路并給出了仿真結(jié)果，最后一部分是結(jié)論。

1理論分析

1. 1新型輸入匹配

圖1為傳統(tǒng)的Inductive2degenerate cascade結(jié)構(gòu)的輸入匹配電路，這種結(jié)構(gòu)在不惡化噪聲性能的情況下很容易實(shí)現(xiàn)匹配，其等效小信號(hào)模型見(jiàn)圖2，輸入阻抗見(jiàn)式(1)：

圖1傳統(tǒng)電路的輸入匹配結(jié)構(gòu)

圖2傳統(tǒng)輸入匹配電路的小信號(hào)等效模型

從上式可以看出，要降低Lg ，有幾種簡(jiǎn)單的方法，其一是增加輸入管的寬度W，這樣Cgs就變大，從而Lg下降，但是這樣會(huì)增大漏極電流， 從而增加LNA的功耗，這顯然是不符合低功耗的要求;另一種方法是在輸入管的柵源端增加一個(gè)電容，但同樣降低了輸入端的品質(zhì)因數(shù)， 降低了電路性能。還有一種是使用一個(gè)并聯(lián)的LC網(wǎng)絡(luò)來(lái)代替大電感，圖3是LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及其等效電路，為了方便推導(dǎo)，我們將電感的模型等效為一個(gè)理想電感L1 和理想電阻R1 的串聯(lián)。這個(gè)并聯(lián)的LC網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗為：

其中:

圖3并聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)及其等效電路

公式中是并聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率，ω為電路工作的頻率。通過(guò)式( 2) ( 3) 可知， 當(dāng)0 <1 - （w/w1)平方< 1時(shí)， 這個(gè)小的LC 并聯(lián)電路可以產(chǎn)生一個(gè)大的電感和大的電阻。由于電阻R g是由電感的寄生電阻等效而來(lái)， 并不是一個(gè)實(shí)際的物理阻抗，因此其產(chǎn)生的熱噪聲比相同阻抗值的實(shí)際物理電阻產(chǎn)生的熱噪聲要小， 理論上既可以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，同時(shí)降低LNA的噪聲系數(shù)。

1. 2級(jí)間諧振電路

如圖4所示為一個(gè)包括級(jí)間耦合電容以及級(jí)間諧振電感的兩級(jí)共源放大器結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)受到襯底寄生效應(yīng)比較小， 在提高增益的同時(shí)改善了穩(wěn)定性。C3 是級(jí)間耦合電容，級(jí)間諧振電感Lg2用來(lái)與第二級(jí)MOS管的輸入電容諧振， 這個(gè)感值可以采用中的方法來(lái)計(jì)算。

圖4帶級(jí)間匹配的兩級(jí)電流復(fù)用放大器

圖5是X 節(jié)點(diǎn)到Y(jié) 的節(jié)點(diǎn)之間的小信號(hào)等效電路圖，其中RL g2是電感的寄生電阻， Cin2是包含了M2 管的柵源電容以及Miller電容， Leff是并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)Ld1 ， Cd1的等效電感， R2 是一個(gè)大電阻，為M2 管提供直流偏置，其影響很小可以忽略不計(jì)。從該小信號(hào)電路圖可以得到第一級(jí)到第二級(jí)的電流增益的表達(dá)式，見(jiàn)式(4)：

考慮到s·Leff對(duì)射頻電流來(lái)說(shuō)是一個(gè)大的阻抗， 于是上式又可以簡(jiǎn)化為:

上式表明通過(guò)級(jí)間耦合與級(jí)間諧振， 從第一級(jí)到第二級(jí)獲得了可觀的電流增益， 從而可以提高功率增益(例如在本設(shè)計(jì)中，ωT > 20 GHz) 。

圖5XY兩點(diǎn)間的等效電路圖

2電路設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

采用改進(jìn)的匹配結(jié)構(gòu)以及級(jí)間耦合，基于SMIC0118μm RF CMOS工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)頻率為2. 4 GHz的低噪聲放大器。如圖6所示就是本文的電流復(fù)用兩級(jí)共源低噪聲放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Ld1 ，Cd1和Ld2 ，Cd2分別是兩極共源管的負(fù)載阻抗， R1 ， R2 是兩個(gè)大電阻分別給兩極共源管提供偏壓，取4 kΩ; C1 ， C3 是大電容，起隔直的作用，C5 也是一個(gè)大電容，在M2 的源級(jí)作為一個(gè)旁路電容提供交流地; Lg1 ， C2 ，Ld1 ， Cd1這兩個(gè)并聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)取代大電感實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，減小芯片面積。

圖62. 4 GHz LNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

LNA的第一級(jí)對(duì)噪聲影響至關(guān)重要， 根據(jù)文獻(xiàn)中的功耗受限情況下放大管的最優(yōu)柵寬計(jì)算公式來(lái)計(jì)算， 式中關(guān)于各個(gè)參數(shù)的定義見(jiàn)文獻(xiàn)[ 3 ]：

M2 管的柵寬一般為M1 的一半或者相同尺寸，這需要在抑制M2 的噪聲貢獻(xiàn)以及增益線性度等方面來(lái)折衷，M3 與M1 組成一個(gè)電流鏡為M1 管提供偏壓，一般取W1 = 10W3。為了限制整個(gè)電路的功耗， M3 的偏置電流為180 μA， 主體電路消耗1. 8 mA，整個(gè)電路共消耗2 mA，供電電壓為1. 8 V。

輸入匹配按照式(7) 、式(8) ，其中Lg 是并聯(lián)的LC網(wǎng)絡(luò)等效感值，級(jí)間諧振電感按照文獻(xiàn)[ 9 ]中的方法計(jì)算，值得注意的是， 因?yàn)槊芾招?yīng)的影響， 輸入匹配會(huì)受到級(jí)間匹配元件的影響， 因此需要反復(fù)調(diào)整各元器件的值以達(dá)到良好的匹配。

基于SM IC 0. 18μm RF CMOS工藝設(shè)計(jì)的頻率為2. 4 GHz的低噪聲放大器的各個(gè)性能參數(shù)由ADS( advanced design system)仿真給出，關(guān)鍵的電路元件參數(shù)見(jiàn)表1。圖7表明在達(dá)到高的功率增益的同時(shí)(23 dB@2. 4 G)實(shí)現(xiàn)了低的噪聲系數(shù)(1. 7 dB@2. 4 G) ， 圖8 表明實(shí)現(xiàn)了很好的輸入輸出匹配( S11， S22 < - 30 dB) ，同時(shí)隔離度大于40 dB。圖9為該低噪放的版圖，面積為0. 88 mm ×1. 3 mm。

表1電路中管子參數(shù)以及各個(gè)電感的值

圖7低噪放的噪聲系數(shù)與功率增益。

圖8低噪放的輸入輸出反射系數(shù)

圖9低噪放的版圖

3結(jié)論

本文提出了一種新型的全集成的電流復(fù)用兩級(jí)共源低噪聲放大器，采用了新型輸入匹配以及感性級(jí)間匹配結(jié)構(gòu)。為了降低芯片面積，兩個(gè)LC 并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)代替了傳統(tǒng)的大電感。這種新型的電流復(fù)用結(jié)構(gòu)更有利于輸入匹配，降低噪聲和功耗。采用SM IC0. 18 μm RF CMOS 工藝制作了一個(gè)頻率為2. 4 GHz，噪聲系數(shù)1. 7 dB， S11為- 30 dB， S22為- 36dB，功率增益為23 dB ，反向隔離度小于- 35 dB，在1. 8 V的供電電壓下僅消耗2 mA 。