楊 波

無線通信科技產(chǎn)業(yè)被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有潛力的產(chǎn)業(yè), IEEE 802.11a的傳輸速率最高為54Mbit/s,且CMOS成本較低,技術(shù)成熟,可以和基頻電路相結(jié)合成為單系統(tǒng)芯片, 成為射頻收發(fā)器(Transceiver)的發(fā)展趨勢.隨著CMOS工藝特征尺寸的不斷減小,MOS場效應(yīng)管的截止頻率已經(jīng)超過100 GHz,這使得CMOS工藝成為射頻集成電路設(shè)計的一個重要選擇。為了提高市場競爭力,采用具有高集成度、低成本、低功耗和易于集成等優(yōu)點的CMOS工藝進(jìn)行高速電路和射頻電路設(shè)計成為了近年來集成電路設(shè)計的熱點。

1.射頻LNA的原理

為了提高低噪聲放大器電路隔離度及增益,電路結(jié)構(gòu)選定共源共柵cascode[1]和源極電感負(fù)反饋結(jié)構(gòu)作為放大器結(jié)構(gòu)。共源共柵結(jié)構(gòu)中的共源管M1作為主放大管給電路提供足夠的增益,共柵管M2用來減小共源管的Cgd引起的密勒效應(yīng)以及增強整個電路的反向隔離性能。共源管M1所需的直流偏置電路由電流鏡構(gòu)成。LNA的匹配網(wǎng)絡(luò)可以用純電阻網(wǎng)絡(luò),也可以用電抗網(wǎng)絡(luò)。電阻匹配網(wǎng)絡(luò)適合于寬帶放大[2],但它們要消耗功率并增加噪聲。采用無損耗的電抗匹配網(wǎng)絡(luò)不會增加噪聲,但是只適合窄帶放大。

LNA的匹配方式大致可以分成四種形式,采用了其中的電感負(fù)反饋,避免了在信號的傳輸通道上出現(xiàn)熱噪聲電阻,這樣就大大降低了電路的噪聲。LNA 的噪聲性能決定了整個接收器的靈敏度, 因此所設(shè)計的LNA 應(yīng)該具有盡可能小的噪聲系數(shù)F(或NF = 10log F)

F ≡( S/ N) in/( S/ N) out=Total output noise power/Output noise power by source impedance

放大器的噪聲主要包括外界環(huán)境引入的噪聲和放大器內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲,其內(nèi)部噪聲主要是電阻等有耗元件和有源器件產(chǎn)生的。噪聲系數(shù)是評價放大器噪聲性能好壞的指標(biāo),MOS管的噪聲分三種:溝道熱噪聲、柵電阻噪聲和柵電流噪聲。下面將分別介紹這三種噪聲。

溝道熱噪聲:長溝道CMOS器件的噪聲源主要是溝道熱噪聲,溝道熱噪聲是白噪聲,通常用一個并聯(lián)在源漏之間的電流源來表示。

柵電流噪聲:由于溝道載流子的熱擾動,使得其通過柵電容耦合至柵極,形成柵電流噪聲。在低頻頻段這個噪聲源是可以忽略的,但是在高頻頻段內(nèi),由于分布參數(shù)的影響,柵阻抗不再呈現(xiàn)低頻時的純?nèi)菪?而是發(fā)生了一定的相移,我們可以用一個并聯(lián)的噪聲電流源與一個無噪聲電阻表示。

柵電阻噪聲:另一個噪聲源是柵極分布的多晶硅電阻的噪聲,其噪聲模型等效為一電阻

與一噪聲電壓源的串聯(lián)。

2.CMOS LNA的電路設(shè)計

低噪聲放大器(LNA)作為射頻信號傳輸鏈路的第一級,它的噪聲系數(shù)特性決定了整個射頻電路前端的噪聲性能,因此作為高性能射頻接收電路的第一級LNA的設(shè)計必須滿足系統(tǒng)[3]:①提供足夠的增益以減小LNA后續(xù)電路對系統(tǒng)的噪聲影響。但是LNA的增益也不能太大,否則沒有被通道濾波器濾除的大干擾信號可能會超過混頻器的線性范圍。②產(chǎn)生盡可能少的噪聲和信號失真。③提供輸入輸出端的50歐姆阻抗匹配,盡量減少外接元件,力求增益與外接元件無關(guān)。④保證信號的線性度。⑤接收機接收的信號強度從-120 dBm到-20 dBm[4]。在LNA設(shè)計中,應(yīng)力求上述各性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu),但通常較難實現(xiàn)。在實際設(shè)計中,這些性能指標(biāo)會相互牽制、影響甚至矛盾;因此在進(jìn)行LNA設(shè)計時,如何采用折衷原則兼顧各項指標(biāo)是尤為重要的。噪聲匹配與阻抗匹配通常不一致,如果只考慮噪聲優(yōu)化,常常無法獲得所需的增益和阻抗匹配,同時功耗也是一個重要的制約因素。因此,一個各項性能參數(shù)都能滿足要求的LNA , 必然是各性能參數(shù)間的合理折衷的結(jié)果。

理論計算的參數(shù)雖然和電路實際參數(shù)相比會有一定誤差,但是基本在同一數(shù)量級[5]。

參考文獻(xiàn)

[1] Ismail A, Abidi A. A 3 to 10 GHz LNA using a wide-band LC-ladder matching network [A]. IEEE ISSCCDig Tech Papers [C]. San Francisco, CA, USA.2004. 384-385.

[2]Bruccoleri F. Noise canceling in wideband CMOSLNA's [A]. IEEE ISSCC Dig Tech Papers [C]. SanFrancisco, CA, USA. 2002. 406-407.

[3]Pietro Andreani, Henrik Sjoland.Noise optimization of an inductively degenerated CMOS low noise amplifier [J]. IEEE Trans. On Circuits and Systems, 2001, 48 (9): 835-841.

[4]陶蕤,王志功,謝婷婷,陳海濤.2.9GHz 0.35μm CMOS低噪聲放大器[J].電子學(xué)報,2001,11(29):1530-1532.

[5]Hung-Wei Chiu, Shey-Shi Lu, et al. “A 2.17-dB NF 5GHz Band Monolithic CMOS LNA With 10-mW DC Power Consumption” [J], IEEE TMTT, Vol. 53, No. 3, Mar. 2005.

收稿日期:2009-10-19