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在一個(gè)無(wú)線(xiàn)接收系統中，為了獲得良好的總體系統性能，需要一個(gè)性能優(yōu)越的前端，而低噪聲放大器（LNA）就是前端的一個(gè)重要組成部分。 由于共源共柵級結構能同時(shí)滿(mǎn)足噪聲和功率匹配的要求，因此在LNA的設計中被廣泛采用。但共源級和共柵級之間的匹配是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，筆者通過(guò)在其之間插入一個(gè)級間匹配電感，使得這個(gè)問(wèn)題得以解決。 低噪聲放大器電路結構 低噪聲放大器作為射頻信號傳輸鏈路的第一級，必須滿(mǎn)足以下要求：首先,具有足夠高的增益及接收靈敏度；其次，具有足夠高的線(xiàn)性度，以抑止干擾和防止靈敏度下降；第三，端口匹配良好，信號能夠有效地傳輸。另外,還要滿(mǎn)足有效隔離、防止信號泄漏以及穩定性等方面的要求。 通常，射頻電路端口要與50Ω阻抗匹配，為了滿(mǎn)足輸入端功率匹配條件，一般采用源極串聯(lián)電感反饋匹配結構，如圖1所示。圖2是該結構的小信號圖。 圖1 源極串聯(lián)電感反饋匹配結構 圖2 源極串聯(lián)電感反饋匹配結構的小信號圖 在圖1、圖2中，Lg為柵極串連電感，LS為源極串連電感，Cgs為等效柵源電容。由圖2可得： （1） 當諧振時(shí)有： （2） 其中， 這種結構用電感來(lái)等效實(shí)電阻進(jìn)行阻抗匹配，沒(méi)有引入過(guò)多的噪聲，因此被廣泛采用。 噪聲分析及優(yōu)化 低噪聲放大器中的噪聲主要包括溝道電流噪聲、感應柵電流噪聲和柵電阻噪聲，其小信號等效電路如圖3所示。 圖3 小信號等效噪聲電路 其中，溝道電流噪聲是載流子和熱振動(dòng)原子的隨機碰撞引起的，其表達式為 （3） 式中，gd0為漏源偏置為0時(shí)的漏極輸出電導； 為MOS管的跨導； 為與器件工藝和偏置相關(guān)的常數，值為2/3～2；α=gm/gd0 ＜1。 另外一個(gè)噪聲源是柵電阻噪聲，通過(guò)多指狀柵的結構縮減柵電阻的方法可以減小它。 柵電流噪聲則是由于溝道載流子的擾動(dòng)經(jīng)由柵電容耦合到柵極形成的，其表達式為 （4） 其中， 噪聲系數F定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值： （5） 式中，G表示功率增益。這里的噪聲是指總的輸出噪聲與源阻抗在輸出端產(chǎn)生的噪聲的比值，因此我們得到這種結構的低噪聲放大器的噪聲系數為 （6） （7） （8） 式中，RS為源阻抗，RL和Rg分別是Lg的等效寄生電阻和MOS管的柵電阻。 在圖1中，忽略了Cgd的影響，但它的存在對電路的影響很大，因為輸出會(huì )通過(guò)它反饋到輸入，一方面惡化噪聲性能，另一方面促使電路不穩定。所以，要采用兩級級聯(lián)結構來(lái)抑制柵漏電容，這樣不僅提高了穩定性，改善了噪聲性能，還能提供較大增益。不過(guò)最關(guān)鍵的就是在兩個(gè)MOS管M1和M2之間插入一個(gè)片上集成電感Lm，如圖4所示。 圖4 共源共柵結構的LNA 原因是M1和M2為單獨的管子，它們之間存在較大的寄生電容，影響了信號的傳輸，從而惡化噪聲系數。而加入的電感能加強他們之間的匹配，使噪聲性能和增益有所改善。 根據不同的級間匹配電感值，增益和噪聲的變化如圖5和圖6所示。 圖5 不同電感值增益的變化 圖6 不同電感值噪聲的變化 由上圖的結果可知，當匹配電感的值取5nH時(shí)，效果最理想。 設計與仿真結果 本設計采用單端結構，全單片集成，具體電路見(jiàn)圖7。 圖7 低噪聲放大器電路圖 整個(gè)設計基于了TSMC 0.35μm鍺硅射頻工藝模型。為了提高集成度，所有的電感都采用片上集成電感，為平面螺旋八邊形，用頂層金屬繞制而成。輸出端采用的是LC槽電路，諧振時(shí)阻抗很大，有選頻和提高增益的作用。 為了降低功耗，電源電壓為1.5V，工作頻率1.5G，靜態(tài)功耗約為16.5mW。用Cadence中spectreRF進(jìn)行仿真，得到輸入反射系數（S11）和輸出反射系數（S22）分別為－7.4dB和－20.8dB。 由于采用級間匹配電感，中心頻率處的電路增益提高了約3dB，達17.7dB，提高了約20％；噪聲系數降低了約 0.45dB，為2.05dB，降低了約18％，變化曲線(xiàn)如圖8和圖9所示。 圖8 匹配前后的增益變化 圖9 匹配前后的噪聲變化 低噪聲放大器除了提供較低的噪聲，較高的增益外，還需要有較好的線(xiàn)性度，以避免較強信號的干擾。線(xiàn)性度一般用三階交調點(diǎn)（IP3）來(lái)衡量，包括輸入三階交調點(diǎn)（IIP3）和輸出三階交調點(diǎn)（OIP3），可以采用雙音測試法來(lái)測量，即在輸入端加入兩個(gè)頻率相近幅值相等的兩個(gè)信號，然后改變幅值來(lái)測量，結果如圖10所示。輸入三階交調點(diǎn)（IIP3）約為5.2dBm。 圖10 放大器的線(xiàn)性度（IIP3） |
