基于噪聲抵消和線性度提高的差分LNA的設(shè)計(jì)

紀(jì) 娜，何國(guó)榮

0 引言

低噪聲放大器(LNA)是射頻接收機(jī)前端的主要部件。由于其位于接收機(jī)前端,所以它需要有較低的噪聲系數(shù),并具有足夠的增益來抑制后面各級(jí)噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響,同時(shí)要求有一定的線性度來保證不失真的接收射頻信號(hào),另外為了達(dá)到功率最大傳輸或最小的噪聲系數(shù),LNA的輸入阻抗應(yīng)該與前端源阻抗匹配。

由于電感負(fù)反饋的共源LNA優(yōu)越的噪聲特性，得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。共柵LNA能夠很容易地實(shí)現(xiàn)輸入阻抗的匹配，但是卻具有較差的噪聲性能[4]，交叉耦合電容技術(shù)能夠降低共柵LNA結(jié)構(gòu)中的柵極對(duì)輸出端口的噪聲貢獻(xiàn)，從而優(yōu)化噪聲特性[5]，然而在共源共柵 LNA中，共柵晶體管源端的寄生電容會(huì)對(duì)整個(gè)LNA的噪聲特性造成影響。本文中，引入一對(duì)電感與交叉耦合電容相連，消除了共柵極噪聲，一定程度上提高了LNA的線性度和增益。

1 噪聲抵消

本文設(shè)計(jì)了一種差分形式的LNA，電路圖如圖1所示：

圖1 提出的LNA電路結(jié)構(gòu)

Lg，Ls主要完成輸入端口的匹配，輸出端增加一個(gè)電阻Rd以提高電路的穩(wěn)定度，Rd，Ld，Cout1和Cout2完成輸出端口的匹配，Cb，Cout1用于隔離直流信號(hào)，Vdd是電源接點(diǎn)，Vb1、Vb2分別為 M1、M2提供偏置電壓。為了抵消共柵晶體管產(chǎn)生的噪聲，并提高LNA的線性度，在圖1的X點(diǎn)處引入一對(duì)交叉耦合的電容Cc，其電容值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M2柵源極之間的寄生電容 Cgs2，并在 M2的柵極加入一對(duì)電感 Ladd，此改進(jìn)技術(shù)如圖1中虛線所示[6]。

在工作頻率ω0下，圖1中X點(diǎn)處的等效輸入電導(dǎo)為公式（1）：

其中g(shù)m2為M2的跨導(dǎo)。

在ωCc遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ωCgs2-(1/ωLadd)的情況下，X點(diǎn)處的等效輸入電納為公式（2）：

其中Csb2為M2源極對(duì)襯底之間的寄生電容，Cgd1為M1柵漏極之間的寄生電容，Cdb1為M1漏極對(duì)襯底之間的寄生電容。當(dāng)?shù)刃щ娂{等于0時(shí)，X點(diǎn)處的寄生電容效應(yīng)就可被消除，如公式（3）：

引入此技術(shù)后得到的LNA的噪聲系數(shù)為[6]公式（4）：

其中F1為M1的噪聲，F(xiàn)c為M2的噪聲，Rs為源阻抗，C2為M5與偏置相關(guān)的參數(shù)，gd02為M2管零偏時(shí)的漏極電導(dǎo)，ωT是截止頻率。

由此可見，當(dāng)滿足式(3)時(shí)，可使等效電納等于 0，從而共柵管的噪聲Fc可被消除掉[7]。

2 線性度提高

對(duì)于共源共柵結(jié)構(gòu)的LNA，線性度主要取決于共源級(jí)晶體管，然而當(dāng)共源級(jí)的電壓增益較大時(shí)，共柵級(jí)將對(duì)整個(gè)LNA的線性度起主要影響。為了在高增益下得到較高的線性度，必須提高共柵級(jí)的線性度。引入交叉耦合電容和電感技術(shù)的 LNA就可消除共柵級(jí)對(duì)線性度的影響。改進(jìn)后的LNA的輸出電流為公式（5）

其中i1為共源級(jí)的輸出電流，Vgs2為 M2的柵源極間電壓，且公式（6）

若滿足遠(yuǎn)大于ωCc遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ωCgs2-(1/ωLadd)且電感Ladd和X點(diǎn)處的寄生電容在工作頻率處共振，如公式（7）：

進(jìn)而得公式（8）

可得出LNA的線性度只取決于共源級(jí)，共源級(jí)并不影響LNA的線性度。

3 增益提高

在輸入阻抗匹配的情況下，傳統(tǒng)的電感負(fù)反饋共源共柵結(jié)構(gòu)的LNA的增益為公式（9）

其中公式（10）

式中Qin為L(zhǎng)NA輸入網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)；Z0為L(zhǎng)NA電路的輸出阻抗；CX是圖1中X點(diǎn)處的總寄生電容。當(dāng)采用圖1虛線部分所示的技術(shù)后，共源結(jié)構(gòu)的LNA的增益變?yōu)楣剑?1）

當(dāng)BeffX等于0時(shí)，LNA的增益為公式（12）

可以看出，與式（9）相比，增益得到了一定程度的提高。

4 LNA仿真結(jié)果

電路設(shè)計(jì)采用了 TSMC 0.18μm CMOS工藝庫(kù)，使用ADS2009軟件進(jìn)行電路的仿真和優(yōu)化。小信號(hào)S參數(shù)如圖2所示：

圖2(a)S11,S22隨頻率的變化關(guān)系

圖2(b)S21,S12隨頻率的變化關(guān)系

從圖中可以看出，在工作的中心頻率 2.45GHz處，S21為17.8dB，表現(xiàn)出較高的增益；S11和S22分別小于-30dB和-35dB，表明端口反射較小；S12小于-40dB，表明反向隔離度較高；噪聲系數(shù)隨頻率的變化曲線如圖3所示：

圖3 噪聲系數(shù)隨頻率的變化關(guān)系

在中心頻率點(diǎn)2.45GHz的噪聲系數(shù)為 1.3dB；使用雙音測(cè)量法測(cè)量輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3，輸入射頻功率為-40dBm，輸出頻譜如圖4所示：

圖4 雙音測(cè)量法輸出頻譜

可得IIP3=-40+(-25.9-(-104.1))/2=-0.9dBm，表現(xiàn)出電路較高的線性度，在 1.8V電源電壓供電的情況下，功耗為9.36mW，小于10mW。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為 2.45GHz的差分低噪聲放大器。主要考慮傳統(tǒng)的共源共柵結(jié)構(gòu) LNA的共柵級(jí)對(duì) LNA的噪聲、增益和線性度的影響。通過在共柵級(jí)上引入一對(duì)交叉耦合電容和電感，以消除共柵級(jí)的噪聲并提高放大器的線性度和增益。仿真結(jié)果顯示，在 2.45GHz時(shí)，整個(gè)電路能夠提供 17.8dB的正向功率增益，噪聲系數(shù)為 1.3dB，IIP3為-0.9dBm，直流功耗 9.36mW，同時(shí)輸入輸出匹配和反向隔離性能良好。

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