基于WCDMA接收機(jī)系統(tǒng)的低噪聲放大器設(shè)計(jì)

 摘要 介紹了低噪聲放大器的基本工作原理，并對(duì)噪聲源進(jìn)行了分析。提出了采用先進(jìn)的TSMC90 nm工藝，設(shè)計(jì)了一種基于WCDMA接收機(jī)系統(tǒng)的全差分拓?fù)涔苍垂矕判偷驮肼暦糯笃?。該放大器片?nèi)集成了電感、電容。片外配置匹配網(wǎng)絡(luò)。芯片測(cè)試結(jié)果表明：電路在2 GHz工作頻率下，電壓增益達(dá)到20 dB、噪聲系數(shù)NF為1.4 dB、IIP3為-3.43 dBm。綜合各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，該低噪聲放大器具備良好的性能，可廣泛適用于通訊系統(tǒng)之中。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和無線通訊技術(shù)的發(fā)展，無線移動(dòng)產(chǎn)品已得到廣泛使用。作為無線信息接收的最前端部件，低噪聲放大器具有其特殊的地位和作用，其性能尤其是噪聲系數(shù)幾乎決定了整個(gè)接收鏈路的噪聲性能。本文著重從穩(wěn)定性、噪聲源、線性度、匹配網(wǎng)路關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，并針對(duì)WCDMA接收機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，設(shè)計(jì)了低噪聲放大器，電路采用TSMC90nmCMOS工藝。芯片測(cè)試結(jié)果表明，該低噪聲放大器，電壓增益達(dá)到20 dB、噪聲系數(shù)NF為1.4 dB、IIP3為-3.43 dBm。

1 低噪聲放大器工作原理

低噪聲放大器設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于高增益、低噪聲系數(shù)、高穩(wěn)定性、低功耗以及良好輸入輸出匹配網(wǎng)路等關(guān)鍵指標(biāo)上的平衡。下面著重從這些關(guān)鍵性能上，對(duì)低噪聲放大器電路進(jìn)行分析。

1.1 輸入阻抗分析

低噪聲放大器LNA輸入級(jí)結(jié)構(gòu)通常為圖1所示。輸入MOS晶體管源級(jí)接電感L，柵極電感l(wèi)g以及電容Cs為匹配網(wǎng)絡(luò)。從圖1電路分析得LNA輸入阻抗Zin

式中，Cgs為輸入晶體管的柵源寄生電容;gm為跨導(dǎo)，根據(jù)TSMC工藝技術(shù)文檔可查，此輸入管工作電流為2.65 mA，偏置電壓為2.25 V的情況下，特征頻率ωT約為30 GHz，因此可通過ls值來匹配出50 Ω純電阻，Zin的虛部則可與Cs和lg匹配，使得Z’in的虛部為零。

若不考慮諧振工作頻率而只考慮源阻抗匹配則無需lg電感，但LNA是窄帶工作，因此必須確保在工作頻率上諧振與lg作用相同。匹配網(wǎng)絡(luò)本身具有增益，在工作頻率上最好使得匹配網(wǎng)絡(luò)的增益達(dá)到最高，即匹配網(wǎng)絡(luò)諧振也必須在工作頻率上。在設(shè)計(jì)過程中可通過觀察，LNA和匹配網(wǎng)絡(luò)各自的電壓增益曲線來進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)工作頻率2 GHz和阻抗匹配確定lg為22 nH，Cs為10 pF。圖4為匹配網(wǎng)絡(luò)電壓增益。

1.2 噪聲分析

圖1匹配網(wǎng)絡(luò)下LNA的噪聲分析。其噪聲源主要有MOS管的溝道噪聲，電感l(wèi)g的串聯(lián)寄生電阻和MOS管柵極多晶電阻Rg的熱噪聲，以及信號(hào)源內(nèi)阻的熱噪聲。溝道噪聲

設(shè)計(jì)時(shí)需考慮匹配網(wǎng)絡(luò)上的電感l(wèi)g存在寄生電阻的，即電感的Q值不可能是無窮大，所以要盡量選用Q值高的電感應(yīng)用。另外，還需盡量減小MOS管的柵極多晶電阻，在畫版圖時(shí)柵極輸入線應(yīng)盡可能短或減小連接孔電阻，而從噪聲系數(shù)表達(dá)式看，也可通過調(diào)節(jié)gdo和特征頻率來降低噪聲系數(shù)。

1.3 線性度分析

線性度是低噪聲放大器的一個(gè)重要指標(biāo)，如何提高系線性度是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。圖1中輸入晶體管源極所接電感l(wèi)s一方面起著輸入阻抗匹配的作用，同時(shí)也可用以提高放大器的線性度，達(dá)到源極負(fù)反饋提高線性度的作用。輸入晶體管的電流為

從式中可看出，若電感的阻抗遠(yuǎn)大于跨導(dǎo)的倒數(shù)，則電流是跨導(dǎo)的弱函數(shù)，而與輸入電壓可近似為線性關(guān)系。設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增大跨導(dǎo)gm，但功率不能過高，同時(shí)器件尺寸不可過大，以避免因線性度提高而導(dǎo)致其他指標(biāo)變差。

1.4 增益和隔離度分析

增益是低噪聲放大器的原則性指標(biāo)，如何提高其增益而不降低其他性能，是分析和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。圖1共源管的寄生電容Cgd等效柵到地的電容和漏到地的電容分別為C1、C2。

C2≈A×Cgd，此時(shí)的C2直接為輸出端的寄生電容，共源管的溝到電流將由C2和負(fù)載分流，負(fù)載阻抗值較大，而電容C2越大阻抗越小，從而分的電流也將越大，這也將降低增益，并將影響輸出諧振網(wǎng)絡(luò)。另外輸入和輸出可直接通過Cgd在高頻下形成信號(hào)通路，這使得逆向隔離差甚至可能輸入輸出閉環(huán)不穩(wěn)定。為了避免增益損耗和逆向隔離差的問題，可采用共源共柵結(jié)構(gòu)取代共源結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器LNA。在采用共柵管連接之后由于共柵管的柵極高頻下為虛地，因此寄生Cgd形成的信號(hào)通路將避免，從而改善了逆向隔離性能且提高了穩(wěn)定性。采用共柵連接C2將變小為

同時(shí)從漏往上看的阻抗變?yōu)?/p>

，這便增大了阻抗的電流增益，并將提高LNA的電壓增益。

2 整體電路設(shè)計(jì)

通過對(duì)低噪聲放大器LNA性能分析，綜合設(shè)計(jì)了一個(gè)全差分拓?fù)湫凸苍垂矕沤Y(jié)構(gòu)的低噪聲放大器，電路主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。電路采用全差分輸入和輸出，差分輸入一方面可提高放大器的增益，另外一方面可拓寬放大器的輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。采用共源共柵結(jié)構(gòu)即可提高增益也可增強(qiáng)隔離度。負(fù)載通過電感和電容組成，而并非采用電阻，目的是減小輸出級(jí)噪聲。此外，輸出還需匹配網(wǎng)絡(luò)，通過其在2 GHz頻率下諧振，產(chǎn)生一個(gè)虛擬的負(fù)載電阻。電路中采用TSMC電感為4抽頭射頻器件，有利于差分結(jié)構(gòu)的對(duì)稱使用。

3 版圖設(shè)計(jì)

整體上版圖按照對(duì)稱緊湊進(jìn)行。同原理圖類似，同樣是上面布局為輸出諧振電感，中間布局為電容和共源共柵放大器以及偏置電路的電阻，為了完全對(duì)稱，偏置電路電阻采用了兩個(gè)等值電阻并聯(lián)，如圖1所示。接下來布局為源級(jí)電感，最下方布局為偏置電路和電流鏡的MOS晶體管，其W相同，只是finger數(shù)目不同，這有利于版圖的對(duì)稱和緊湊。版圖連線上嚴(yán)格按照電流密度來設(shè)定線寬，高頻信號(hào)線采用135°折線連接，連接孔處盡量采用多孔連接。由于不同的金屬層的位置不同以及自身的單位長(zhǎng)度上寄生電阻值的差異，因此選用金屬層連接需充分考慮以上情況。金屬5和金屬6寄生電阻值小，且為頂層金屬。因此電感和電容采用以上兩層金屬連接，版圖上需盡量使差分輸入線的寄生電阻小，LNA版圖上充分的加大了線寬和減小連線長(zhǎng)度以此減小噪聲。

4 芯片測(cè)試

電路通過TSMC90nm工藝代工流片。主要測(cè)試點(diǎn)有噪聲系數(shù)、線性度、電壓增益等指標(biāo)。線性度反應(yīng)的是信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大后的失真程度。其衡量指標(biāo)有1 dB壓縮點(diǎn)和IIP3 dB壓縮點(diǎn)。1 dB壓縮點(diǎn)反應(yīng)的是信號(hào)隨著強(qiáng)度增加，低噪聲放大器對(duì)信號(hào)非線性放大。IIP3 dB是指信號(hào)頻率附近的干擾信號(hào)同有用信號(hào)產(chǎn)生的三階交條信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的干擾程度。采用瞬態(tài)測(cè)試，輸入一個(gè)大小為20 mV的2 GHz正弦信號(hào)，測(cè)試輸出正弦信號(hào)的大小以測(cè)得放大器的增益。取30顆樣片分別測(cè)試并記錄其性能指標(biāo)，電壓增益、噪聲系數(shù)、IIP3壓縮點(diǎn)測(cè)試結(jié)果分別如下圖所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析表明電路的一致性較高，滿足應(yīng)用要求。

5 結(jié)束語

文中基于Tsmc0.18μmCMOS工藝，設(shè)計(jì)了一個(gè)全差分的共源共柵低噪聲放大器。在電路片內(nèi)集成電感，在版圖上布局。經(jīng)樣片測(cè)試結(jié)果表明，該電路可獲得穩(wěn)定的輸出性能，且一致性高。正常工作條件下，平均電壓增益達(dá)到20.4 dB，噪聲系數(shù)為1.44dB，另外IIP3為-3.43 dBm。測(cè)試數(shù)據(jù)證明，該設(shè)計(jì)具有一定的推廣性，可廣泛應(yīng)用于接收機(jī)前端放大。