5.6GHz CMOS低噪聲放大器設計

摘要：分析了一種射頻COMS共源-共柵低噪聲放大器的設計電路，采用TSMC 90nm低功耗工藝實現。仿真結果表明：在5．6GHz工作頻率，電壓增益約為18．5dB；噪聲系數為1．78dB；增益1dB壓縮點為-21．72dBm；輸入參考三階交調點為-11．75dBm。在l．2V直流電壓下測得的功耗約為25mW。
關鍵詞；互補金屬氧化物半導體；低噪聲放大器；噪聲系數；線性度；

0 引言
低噪聲放大器(LNA)是射頻接收機前端的主要部分。它主要有四個特點：首先，它位于接收機的最前端，這就要求它的噪聲越小越好。為了抑制后面各級噪聲對系統的影響，還要求有一定的增益，但為了不使后面的混頻器過載，產生非線性失真，它的增益又不宜過大。放大器在工作頻段內應該是穩定的。其次，它接受的信號是很微弱的，所以低噪聲放大器必定是一個小信號線性放大器。第三，低噪聲放大器一般通過傳輸線直接和天線相連，放大器的輸入端必須與其有很好的匹配，以達到最大傳輸功率或最小的噪聲系數。第四，應具有一定的選頻功能，抑制帶外和鏡像頻率干擾。
在GHz頻率范圍內，CMOS工藝相比其他工藝有價格低、集成度高、功耗低等優點，利用CMOS工藝來設計射頻集成電路已經得到越來越廣泛的應用，本文即采用CMOS工藝來實現對一種5．6GHz低噪聲放大器的設計。

1 LNA結構及性能分析
由于帶源端負反饋電感的共源放大器具有噪聲系數低、增益高、線性度好，以及可實現輸入阻抗匹配等優點，因此在無線收發機系統中得到廣泛應用。為了減小晶體管的Miller效應和有限輸出阻抗對放大器性能的影響，并提供良好的方向隔離性能，低噪聲放大器通常采用Cascode結構。具體電路如圖1所示。

共柵方式連接的晶體管M2用來減少調諧輸出與調諧輸入之間的相互作用，并同時減少Ml的Cgd的影響。晶體管；M3基本上是與M1形成一個電流鏡，通過M3的電流是由電源電壓和Rref以及M3的Vgs決定的。電阻RBIAS選擇得足夠大，所以它的等效噪聲電流小到足以被忽略。為了完成偏置，必須用一個隔斷DC的電容CB來防止影響M1的柵源偏置。
M1源級接Ls，形成源級負反饋結構，柵極接Lg，做輸入匹配使用。若忽略柵漏電容Cgd，則其輸入阻抗可以表示為：

其中Lg、Ls為片上平面螺旋電感。為了實現50Ω阻抗匹配，通過調諧感抗，使其在諧振頻率ωo處諧振，上式的虛部為零，實部等于50Ω。這種匹配設計的好處在于使用等效電阻實現與輸入端的匹配，而無需引入實際電阻，因而減少了額外的熱噪聲。即如下式：

這就是源極負反饋結構在LNA設計中普遍采用的一個原因。在設計過程中，由式(3)根據M1的參數和50Ω匹配條件設計出Ls，再由式(2)根據工作頻率點和濾波要求確定柵極電感Lg。