唐學鋒

（湖州師范學院 信息與工程學院，浙江 湖州 313000）

2.4GHz CMOS低噪聲放大器的設(shè)計*

唐學鋒

（湖州師范學院 信息與工程學院，浙江 湖州 313000）

基于0.18μm CMOS工藝，采用共源共柵源極電感負反饋結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一個針對藍牙接收機應用的2.4 GHz低噪聲放大器（LNA）電路.分析了電路的主要性能，包括阻抗匹配、噪聲、增益與線性度等，并提出了相應的優(yōu)化設(shè)計方法.仿真結(jié)果表明，該放大器具有良好的性能指標，在5.4mW功耗下功率增益為18.4 dB，噪聲系數(shù)為1.935 dB，1dB壓縮點為－14 dBm.

低噪聲放大器；CMOS；噪聲系數(shù)

0 引言

隨著無線便攜式產(chǎn)品如全球定位系統(tǒng)、藍牙、ZigBee、無線射頻識別、無線局域網(wǎng)等的快速發(fā)展，無線終端低成本、低功耗、小型化、高性能已成為新的技術(shù)目標.近年來，深亞微米和納米CMOS工藝日趨成熟，其截止頻率已經(jīng)達到幾十GHz，并且其相對于bipolar或BiCMOS工藝具有低成本、低功耗的優(yōu)勢.另外，采用CMOS工藝實現(xiàn)的射頻前端電路易于與基帶部分電路集成在一塊芯片上，實現(xiàn)單芯片方案，因此CMOS工藝越來越多地用于無線通信產(chǎn)品.

藍牙是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)，能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦和其他便攜式設(shè)備之間進行無線信息交換.藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM頻段，其數(shù)據(jù)速率為1Mbps.低功耗、小體積以及低成本的芯片解決方案，使得藍牙技術(shù)甚至可以應用于極微小的便攜設(shè)備中.用CMOS工藝設(shè)計低成本、低功耗、高集成度的藍牙接收機芯片已成為當前研究的一個熱點［1，2］.

本文設(shè)計了一個針對藍牙接收機應用的2.4GHz CMOS低噪聲放大器（LNA），通過參數(shù)優(yōu)化，得到了較好的仿真效果，具有實用的參考價值.

1 電路結(jié)構(gòu)

LNA位于射頻接收系統(tǒng)的最前端，它的性能對整個接收機系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用.它的功能是在盡可能低地產(chǎn)生噪聲的前提下，提供足夠的增益放大輸入射頻信號，以降低后續(xù)各級電路產(chǎn)生的噪聲對信號的影響.除了低噪聲和高增益，LNA還應該具有較高的線性度以適應輸入信號的變化，良好的輸入阻抗匹配以實現(xiàn)最大功率傳輸.由于是便攜式藍牙應用，LNA應當保持低功耗.

為了滿足上述指標，本文采用圖1所示的帶源極電感負反饋共源共柵結(jié)構(gòu)放大器，該結(jié)構(gòu)有利于獲得高增益和低噪聲系數(shù).M1、M2為共源放大管，給電路提供足夠的增益.M3和M4為級聯(lián)共柵晶體管，用來減小由M1／M2的柵漏極間電容Cgd引起的Miller效應和有限輸出阻抗對放大器性能的影響，并提供良好的輸入輸出反向隔離度，避免穩(wěn)定性問題.柵極電感Lg和源極電感Ls用于輸入阻抗匹配.電感Ld與輸出節(jié)點寄生電容及后級混頻器輸入容抗在工作頻率附近形成諧振，提供一個諧振負載RD.LNA采用全差分結(jié)構(gòu)，差分結(jié)構(gòu)可以較好地抑制共模噪聲，提高線性度.

2 電路分析

2.1 阻抗匹配

LNA的前級電路一般為分立的射頻帶通濾波器，輸出阻抗一般為50Ω.由于濾波器的傳輸特性與終端所接負載有很大關(guān)系，因此LNA的輸入端要實現(xiàn)對50Ω信號源阻抗的良好匹配，以減小信號反射，實現(xiàn)最大功率傳輸.圖2為源極電感負反饋共源共柵放大器的輸入級小信號等效電路.根據(jù)等效電路，計算得到輸入阻抗為［3］：

諧振時：

式中，gm是共源MOS管M1／M2的跨導，Rg是柵分布電阻，Cgs是柵源寄生電容.通過選擇適當?shù)钠脳l件和源極電感Ls，使輸入阻抗得到一個50Ω的實部；再通過選擇適當?shù)臇艠O電感Lg使得輸入回路在工作頻率附近諧振，使得輸入阻抗的虛部為0，從而實現(xiàn)阻抗匹配.這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點是采用電感來得到50Ω的輸入阻抗，由于理想電感不會引入額外的噪聲，同時通過合理設(shè)計，可以在功耗受限條件下做到近似的噪聲匹配，于是即實現(xiàn)了阻抗匹配，又滿足了低噪聲的要求.這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的是窄帶匹配，實際應用時需要在輸入端加ESD保護電路，另外還需焊盤和鍵合線與外界相連，這些都會引入寄生電容和電感，使輸入匹配發(fā)生偏移，因此在設(shè)計時要仔細考慮這些寄生的影響.

2.2 噪聲

LNA是射頻接收機的第一級，根據(jù)級聯(lián)系統(tǒng)噪聲公式，它的噪聲系數(shù)在整個系統(tǒng)中占主導地位.經(jīng)典兩端口網(wǎng)絡(luò)噪聲理論指出，當輸入信號源阻抗Zs等于電路最優(yōu)信號源阻抗Zopt時，電路可以獲得最佳噪聲性能.在LNA設(shè)計中，源阻抗Zs一般是固定不變的（50Ω）.本文采用的LNA結(jié)構(gòu)可以在限定功耗條件下，通過優(yōu)化輸入共源級MOS管器件尺寸和偏置條件做到近似的噪聲匹配（Zs＝Zopt），從而取得較好的噪聲性能.通過推導得到使噪聲最優(yōu)的晶體管柵寬［4］：

因此：

根據(jù)優(yōu)化的MOS管器件寬度，得到在功耗PD受限條件下獲得的最小噪聲系數(shù)為：

式中，ωT是MOS管的截止頻率，γ是MOS管溝道熱噪聲系數(shù).公式5中只考慮了MOS管的溝道熱噪聲，除此之外，柵分布電阻Rg和柵極電感Lg寄生電阻Rl是另外兩個噪聲源.柵分布電阻引入的熱噪聲可以在版圖實現(xiàn)時采用多指晶體管技術(shù)來減小，以提高柵極電感Lg的Q值，有效降低噪聲系數(shù).目前芯片代工廠提供的基于CMOS工藝的硅基片上平面螺旋電感Q值不高，大約在10～15左右，對噪聲性能有一定的影響.柵極電感Lg值比較大，會占用較大芯片面積，可考慮采用片外貼片電感實現(xiàn).

2.3 增益與線性度

LNA必須提供足夠的增益放大來自天線的微弱信號，同時大的增益也能抑制后續(xù)級的噪聲.但與LNA級聯(lián)的混頻器對線性度有很高要求，所以要求LNA的增益不宜過大，太大了容易使混頻器產(chǎn)生過載.本文設(shè)計的LNA的增益可以表示為：

式中，Q是輸入匹配諧振回路的品質(zhì)因子，Gm是輸入MOS管等效跨導，RD是輸出諧振負載.

采用源極電感Ls做負反饋，負反饋能提高放大器的線性度，但會減小輸入MOS管等效跨導Gm，降低LNA增益.另外，增加輸入MOS管的過驅(qū)動電壓VGS－VTH也可以提高線性度，但這是以降低MOS管等效跨導Gm為代價的.因此增益和線性度是相互制約的關(guān)系，在設(shè)計LNA的過程中應對兩者進行折衷考慮［5］.

3 電路仿真

使用Agilent公司射頻仿真軟件ADS2009和CMOS 0.18μm工藝模型進行電路優(yōu)化仿真.ADS2009軟件可以提供給電路設(shè)計者進行模擬、射頻與微波等電路的仿真設(shè)計.由圖3可以看出，在2.4GHz時輸入反射系數(shù)S11小于－20dB，達到了較好的輸入匹配.如圖4所示，放大器的增益S21達到18.4dB，可以有效地放大輸入射頻信號和抑制后續(xù)模塊噪聲.圖5給出了輸出噪聲系數(shù)NF為1.935dB，噪聲系數(shù)曲線走向比較平緩.使用諧波平衡法對電路進行線性度仿真，得到1dB壓縮點為－14dBm，如圖6所示，LNA具有較好的線性度.電路使用1.8V電源電壓，功率消耗為5.4m W.

4 結(jié)論

本文深入分析了帶源極電感負反饋共源共柵結(jié)構(gòu)LNA的各項性能，從阻抗匹配、噪聲系數(shù)等方面對電路的性能進行了優(yōu)化.采用0.18μm CMOS工藝設(shè)計了針對藍牙接收機應用的2.4GHz LNA.運用ADS2009軟件對電路進行了仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果表明本文設(shè)計的LNA在較低的功耗下，保持了良好的輸入阻抗匹配，同時達到了高增益和低噪聲系數(shù).

［1］Jenn-Tzer Yang.A CMOS Radio Frequency Receiver for Bluetooth Applications ［C］／／1st Asia Symposium on Quality Electronic Design.Penang，Malaysia，2009：352～356.

［2］BEFFA F，VOGTET R.A 6.5mW receiver f ront-end for bluetooth in 0.18μm CMOS ［C］／／IEEE Radio Frequency Integer Circuit Symp.Seattle，WA，USA，2002：391～394.

［3］THOMAS H L.The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits ［M］.Cambridge University Press，2006：364～400.

［4］THOMAS H L，DEREK K S.A 1.5V，1.5GHz CMOS Low Noise Amplifier［J］.IEEE Journal of Solid-State Circuits，1997，32（5）：1～16.

［5］徐躍，楊英強.1V 高線性度2.4GHz CMOS低噪聲放大器 ［J］.電路與系統(tǒng)學報，2009，14（4）：97～100.

Design of 2.4GHz CMOS Low Noise Amplifier

TANG Xue-feng
（Faculty of Information ＆Engineering，Huzhou Teachers College，Huzhou 313000，China）

This paper presents a 2.4GHz cascode low noise amplifier（LNA）for blue-tooth receiver based on 0.18μm CMOS technology，analyzes some principal performances including impedance match，noise，gain and linearity，and finally proposes a corresponding optimization design method.The simulation results show that the proposed LNA achieves good performance.It provides a power gain of 18.4dB，a noise figure of 1.935dB，1dB compression point of－14dBm，and the power consumption being 5.4 mW.

low noise amplifier；CMOS；noise figure

TN 722.3

A

1009-1734（2012）01-0053-04

2011-12-06

唐學鋒，實驗師，從事模擬電路研究.