基于CMOS有源電感實現(xiàn)寬帶低噪聲放大器的設(shè)計

一、前言：

隨著RF通信系統(tǒng)市場的增長，越來越多的RF器件用MOS工藝實現(xiàn)，包括電感和電容。就電感而言，目前的多數(shù)研究集中于片上無源電感的實現(xiàn)和建模。 無源電感大多用來獲得較好的匹配和功率增益，盡管通過使用立體電感或是微機電工藝可以克服片上無源電感的低Q等缺點，卻無法解決其占用面積過大的缺點。在低噪聲放大器中，一個1～2nH的電感所占用的面積可能超過其余全部有源器件所占面積之和。而且，一個良好片上無源電感的實現(xiàn)常常要求一些特殊工藝，難以與主流的數(shù)字MOS工藝兼容。因此，在噪聲要求并非十分嚴格而對面積和價格更為關(guān)注的情況下，采用有源電感是一種不錯的選擇。

在片上實現(xiàn)有源電感的研究已經(jīng)進行多年，有源電感主要用于帶通濾波器和低噪聲放大器部分。但因為噪聲、電感Q值低以及功耗等問題，有源電感在低噪聲放大器中的應(yīng)用亦不多見，主要還處于研究階段。Jhy-Neng Yang等在2001年提出了一種改進的高Q值有源電感，解決了Q值及功耗問題。然而卻有S11與S21峰值重疊的問題。在Jhy-Neng Yang等人于2003年提出的高Q值有源電感為負載的寬帶LNA中，盡管解決了S11與S21峰值重疊的問題，卻大大增加了噪聲（達到8dB）。本文基于以上兩文的研究，對有源電感作了改進，設(shè)計了一個基于CMOS工藝的以有源電感為負載的寬帶低噪聲放大器，在滿足功耗及增益指標(biāo)的情況下解決了S11與S21峰值重疊的問題并得到較好的噪聲指標(biāo)（不超過5dB）。

文章第二部分介紹有源電感的設(shè)計原理，第三部分介紹以有源電感為負載的寬帶低噪聲放大器的設(shè)計，最后給出所設(shè)計電路與已有的電路的性能參數(shù)比較。

二、有源電感原理

目前對CMOS有源電感的等效模型的研究已較多。典型的簡單的級聯(lián)CMOS有源電感如圖1所示。此電路利用了器件的寄生參數(shù)。分析電路的等效小信號模型，可得

為了提高電路的增益并增加帶寬，考慮在M1上級聯(lián)一個MOS管。得到圖2。此外亦有另外增加一個M4以增加Q值的調(diào)節(jié)度的方法，如圖3。但是，不論使用何種結(jié)構(gòu)，其電感等效電路都等效于圖4。

其中：

三、以有源電感為負載的低噪聲放大器的設(shè)計

為了得到性能指標(biāo)較好的以有源電感為負載的LNA，本文對Jhy-Neng Yang等人提出的有源電感形式進行了改進。文獻［2］以差分形式的電感取得更好的增益，而文獻［3］是以單端電感形式實現(xiàn)了LNA的設(shè)計。為在較好的噪聲系數(shù)下分離S11與S21的峰值，本文提出了不對稱的雙端有源電感形式。

LNA的可選構(gòu)架包括共柵結(jié)構(gòu)和共源結(jié)構(gòu)。由于這里要設(shè)計的是寬帶LNA，并使其面積盡可能小，因此我們依然選擇了共柵結(jié)構(gòu)。

一般LNA的輸入源（如微帶天線，傳輸線）的輸出阻抗為50歐。為獲得最大功率且不在電路中產(chǎn)生反射，即得到最小S11及VSWR，LNA的輸入阻抗應(yīng)為50歐。對于共柵放大器：源端輸入阻抗為1/gm。那么只要選擇適當(dāng)?shù)钠骷叽绾推?a href="http://srfitnesspt.com/tags/電流/" target="_blank">電流，共柵放大器就可獲得50歐源端輸入阻抗。

以有源電感為負載的LNA如圖5所示。對于圖5電路，MINPUT完成輸入功能。M1～M5、MININ和MTL實現(xiàn)有源電感。M3和M4主要影響增益，而其中M5反饋系統(tǒng)的增加可以降低電感的寄生電阻值，有益于輸入輸出的50歐姆匹配，而M1～M4則有利于對電感各項參數(shù)，如Q值和帶寬等進行調(diào)節(jié)，但同時更對輸入輸出的匹配產(chǎn)生影響，適當(dāng)調(diào)節(jié)其柵寬，可以改善S參數(shù)并分離S21和S11的峰值。MS2和MSF作為輸出緩沖，完成輸出阻抗變換。RL為50歐負載。而MS1與MS2都與輸入端相連，對輸入阻抗產(chǎn)生影響。其中MS1作為輸入管MINPUT的偏置，對功耗影響很大。設(shè)計時必須在功耗及S參數(shù)值間取得折中。

四、仿真結(jié)果

采用0.35um工藝對電路進行仿真。得出仿真結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯疚奶岢龅脑O(shè)計成功的分離了S11與S21的峰值點。S11的峰值基本被抑制，波形與一般的共源結(jié)構(gòu)LNA的S11的波形相似，且在整個通帶內(nèi)都滿足S11《-10dB的要求。而S22盡管在2GHz處出現(xiàn)峰值，卻在依然整個通帶內(nèi)保持在-13dB以下。與此同時，LNA的噪聲系數(shù)在3dB帶寬內(nèi)保持在3.6至4.9dB，大大優(yōu)于文獻［3］中的8dB值，基本滿足寬帶LNA的要求。而電路的功耗亦保持在20mW，與文獻［3］中的功耗相當(dāng)。將仿真結(jié)果與國際上一些已完成項目做比較，如表1。

表1：LNA性能參數(shù)比較

五、結(jié)論：

本文設(shè)計了一種以有源電感為負載的寬帶低噪聲放大器，采用有源電感代替片上螺旋電感，大大縮小了芯片面積。在權(quán)衡各項指標(biāo)的情況下得到較為理想的性能參數(shù)，并得到HSPICE仿真結(jié)果論證。S21達到10dB，電壓增益為17dB。在3dB帶寬內(nèi)，S11在-12~-17之間，NF在3.6至4.9之間。通帶的反向隔離大于40dB，S21亦在－14dB以下。

責(zé)任編輯：gt