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[導(dǎo)讀]3GHz CMOS低噪聲放大器優(yōu)化設(shè)計   摘  要: 基于0.18 μm CMOS工藝,采用共源共柵源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu),設(shè)計了一種3 GHz低噪聲放大器電路。從阻抗匹配及噪聲優(yōu)化的角度分析了

3GHz CMOS低噪聲放大器優(yōu)化設(shè)計

  摘  要: 基于0.18 μm CMOS工藝,采用共源共柵源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu),設(shè)計了一種3 GHz低噪聲放大器電路。從阻抗匹配及噪聲優(yōu)化的角度分析了電路的性能,提出了相應(yīng)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(biāo),功率增益為23.4 dB,反向傳輸系數(shù)為-25.9 dB,噪聲系數(shù)為1.1 dB,1dB壓縮點(diǎn)為﹣13.05 dBm。

  1 引 言

  現(xiàn)代無線通信技術(shù)不斷地朝著低成本、便攜式的方向發(fā)展,使得基于CMOS工藝的射頻集成電路成為近年來的研究熱點(diǎn)。在射頻接收機(jī)的設(shè)計中,要想得到良好的總體系統(tǒng)性能,前端電路的優(yōu)化設(shè)計尤為關(guān)鍵。而低噪聲放大器(LNA)作為無線通信系統(tǒng)射頻接收機(jī)的第一個功能模塊,其噪聲特性直接影響著整個接收機(jī)的靈敏度和信噪比,它必須在一定的功耗條件下,提供足夠的增益、優(yōu)異的噪聲性能、良好的線性度和輸入輸出匹配。在GHz頻率范圍內(nèi),CMOS工藝相比其他工藝有價格低、集成度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn),利用CMOS工藝來設(shè)計射頻集成電路已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用,本文即采用CMOS工藝來實(shí)現(xiàn)對一種3 GHz低噪聲放大器的優(yōu)化設(shè)計。

  在LNA的設(shè)計中,應(yīng)對增益、噪聲系數(shù)、輸入阻抗、線性度等幾個關(guān)鍵參數(shù)采取折衷原則進(jìn)行處理[1]。T. H. Lee提出了功率約束條件下的設(shè)計規(guī)范[2],之后又有很多人對CMOS LNA的設(shè)計方法進(jìn)行了研究[3-5]。本文主要從分析LNA的輸入輸出阻抗匹配和噪聲系數(shù)的角度出發(fā),針對每個參數(shù)的影響因素,分別提出優(yōu)化的方法,然后綜合考慮其他各項(xiàng)指標(biāo),設(shè)計出了一種性能良好的低噪聲放大器,并進(jìn)行了電路仿真和版圖設(shè)計。

  2 LNA結(jié)構(gòu)

  在LNA的設(shè)計中,目前廣泛采用的是共源共柵源極負(fù)反饋(Cascode)結(jié)構(gòu),如圖1所示。在此結(jié)構(gòu)中,源極負(fù)反饋既能實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配,又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,且具有改善LNA線性度的特點(diǎn),而M1和M2組成的級聯(lián)結(jié)構(gòu),既提高了電路的輸出阻抗,使電路的增益有較大的提高,又能實(shí)現(xiàn)對電路的反向隔離[6],使得輸出端和輸入端互不影響,從而方便了LNA的設(shè)計。


圖1 共源共柵源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)


  在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加上偏置電路,并對電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,即可得到完整電路結(jié)構(gòu)。本文所實(shí)現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。


圖2  LNA電路圖


  晶體管M1和M2構(gòu)成Cascode結(jié)構(gòu),由于此結(jié)構(gòu)沒有考慮共源極和共柵極之間的匹配,所以在M1和M2之間加上電感Lm,可以提高兩級間的匹配[7],這樣不僅提高了功率增益,而且噪聲系數(shù)也可以得到改善[8]。同時在M1的柵源之間并聯(lián)一個電容C2,用來調(diào)節(jié)柵源之間的電容Cgs,方便與Lg和Ls一起來實(shí)現(xiàn)輸入阻抗的匹配。

  晶體管M3、M4和M1、M2共同組成共源共柵電流鏡[9],作為偏置電路,且M3和M4的寬度相對應(yīng)取較小的值,以減小偏置電路消耗的電流。電阻R2應(yīng)取足夠大以減小偏置電路帶來的噪聲電流,電阻R1用來調(diào)整輸入晶體管M1的柵源電壓和漏極電流以確定靜態(tài)功耗,電容C1可以使得M2的柵極交流接電源電壓。Cin與Cout均為隔直電容。

  3 LNA性能優(yōu)化

  3.1 輸入輸出匹配

  帶源極負(fù)反饋的LNA輸入端的小信號等效電路如圖3所示,其中g(shù)m是M1的跨導(dǎo),Cgs是M1的柵源電容Cgs1和C2并聯(lián)得到的。


  圖3  源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的小信號等效電路





  4 電路仿真與版圖設(shè)計

  仿真采用TSMC的0.18 μm CMOS工藝,仿真環(huán)境為Cadence SpectreRF,電源電壓為2V。仿真結(jié)果如圖5所示。


  從圖5(a)可以看出,所設(shè)計低噪聲放大器的功率增益在3 GHz處達(dá)到了23.4 dB,很好地滿足了功率增益的要求。圖5(b)中,輸入反射系數(shù)S11達(dá)到-25.9 dB,顯示了良好的輸入阻抗匹配。圖5(c)表明,經(jīng)過噪聲優(yōu)化,電路的噪聲系數(shù)只有1.1 dB,而圖5(d)中的1dB壓縮點(diǎn)為﹣13.05 dBm,說明該低噪聲放大器具有良好的線性度。


  利用0.18 μm CMOS工藝模型,用cadence virtuoso軟件對LNA進(jìn)行版圖設(shè)計,如圖6所示,版圖尺寸為0.485 mm × 0.395 mm。

  5 結(jié) 論

  本文通過對共源共柵結(jié)構(gòu)的分析,從阻抗匹配、噪聲系數(shù)和線性度的角度對電路的性能進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計出了一種3 GHz的低噪聲放大器。在0.18 μm CMOS工藝下,利用Cadence SpectreRF軟件對電路進(jìn)行了仿真,結(jié)果顯示,LNA的功率增益、阻抗匹配、噪聲系數(shù)和線性度等參數(shù)都達(dá)到了良好的性能。最后對LNA進(jìn)行了版圖設(shè)計。

  本文作者創(chuàng)新點(diǎn):在分析共源共柵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)了LNA的電路結(jié)構(gòu),提出了在共源共柵結(jié)構(gòu)之間加電感以改善噪聲系數(shù)和并聯(lián)電容以增加輸入阻抗匹配的方法,對低噪聲放大器的設(shè)計具有一定的參考價值。

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