CMOS多頻段低噪聲放大器設計

近年來，隨著無線通信技術的蓬勃發展，可兼容多種移動通信系統標準的新一代移動終端的研究正逐漸成為熱點。要實現多頻段的移動終端接收系統，需要解決的首要問題就是如何實現位于該系統第一級的低噪聲放大器LNA的多頻段化。傳統的方法是將多個單頻段的LNA并聯起來使用，但會造成較大的功耗，占用較大的芯片面積，增加成本，而且隨著接收標準的不斷增多，該方法最終將不可行；另外一種實現多頻段的方式是采用開關式LNA，但其只能工作于一個頻段下，當希望能同時工作于多個頻段時，該方法也將不適用；還可以采用寬帶LNA來實現多個頻段的放大，但同時也會放大其他頻段的干擾信號。本設計中的并行式多頻段LNA為單個LNA，但能同時工作在不同頻段下且放大所需頻段的信號。

電路設計

該多頻帶LNA總體電路如圖1所示，由于1.8GHz、1.9GHz和2GHz頻段很靠近，因此考慮設計一個0.9/ 1.9GHz的雙頻段LNA，以1.9GHz為中心頻率，適當增大其帶寬，使其覆蓋1.8～2GHz，最終實現所需要的四頻段LNA。

圖1 整體電路圖

1 噪聲分析

高頻下MOSFET的噪聲主要包括漏電流噪聲和柵電流噪聲。對圖1中帶有源極電感的共源MOSFET進行噪聲分析，得噪聲系數為：

(1)

其中，R_s為信號源電阻；Z_t＝Z_g＋Z_s＋Z_gs，Z_g和Z_s為連接到柵極和源極的阻抗，Z_gs是連接輸入管柵漏兩端的阻抗，一般為1/jωCgs；，為MOSFET的柵電流噪聲， ，為漏電流噪聲。

在功耗限制和阻抗匹配條件下，輸入級品質因數Q_s≡1/ωC_gsR_s在3.5～5.5之間時噪聲系數能達到最小值，如式（2）所示。可以看到，理論上噪聲只能在一個頻率點下達到最優，而不可能同時在多個頻率下具有最小值。隨著頻率ω的增大，噪聲將變大。因此對于0.9GHz和1.9GHz兩個頻段而言，為了達到噪聲系數的平衡，選擇在噪聲較差的高頻段1.9GHz處進行噪聲匹配，由此可確定C_gs大約為 0.48pF，對應的輸入管尺寸為650μm（W）0.35μm（L）。

F_min≈1＋2.3ω/ωT （2）

2 輸入阻抗匹配

與傳統的單頻段LNA相比，本LNA的輸入阻抗匹配網絡必須同時在多個頻段下匹配到50Ω。圖2(a)所示為采用源端電感負反饋結構的輸入阻抗匹配網絡，其等效電路如圖2(b)所示。其包括兩個LC槽，其中，L₀′=L_g＋L_s，C₀′＝C_gs。輸入阻抗可表示為：

(3)

圖2（a） 輸入阻抗匹配網絡

圖2（b） 輸入阻抗匹配網絡等效電路

根據阻抗匹配條件，可得出在多個頻率下，輸入阻抗的實部和虛部需滿足以下條件：

g_m1_ls/C_gs=50Ω (4)

(5)

求解式(5)，可得兩個不同的ω值，ω1和ω2。因此，該輸入網絡在兩個頻段ω1和ω2下均可滿足阻抗匹配的要求。

(6)

本設計中ω1和ω2的期望值分別為0.9GHz和1.9GHz，滿足這兩種頻率下諧振的元件值L₀、L₀’、C₀、C₀’將不止有一組。而在實際設計所采用的工藝庫中，電感值是一系列分離值，因此必須結合實際電感值進行選取。最終實現的元件值是L₀=7.23nH，C₀=2.5pF，L_g=10.5nH，L_s=1.14nH。

3 輸出阻抗匹配

輸出阻抗網絡的設計與輸入阻抗網絡的設計類似，應考慮在多個頻段下實現良好的匹配，同時輸出級的設計還要滿足增益的要求。圖3(a)為本設計中的輸出網絡，其分為三部分， A1部分提供大的輸出阻抗，以實現較高的增益；A2和A3共同實現雙頻帶，A2負責阻抗下變換，將阻抗實部匹配到50Ω，A3則對虛部進行共軛匹配。

圖3（a） 輸出網絡

圖3（b） 等效輸出網絡

將輸出網絡等效為如圖3(b)所示的形式，可得：

(7)

(8)

其中，Q₁=ωL₁/R₁。

在輸出網絡的設計中，R₁’越大，增益越大，Q₁也越大，但此時R₁就越小，輸出網絡帶寬變小。由于高頻段的設計是以1.9GHz為中心頻率，輸出網絡的設計需使其具有足夠的帶寬覆蓋1.8～2GHz，因此與L₁串聯的電阻R₁的選取要使增益與輸出網絡帶寬達到一定的平衡。

最終實現的元件值為L₁=5.58nH，R₁=15Ω，C₁=1.6pF，L₂=4nH，C₂= 5.14pF，L₃=8nH，C₃=16.2pF。

仿真結果

基于TSMC 0.35μm SiGe BiCMOS射頻工藝庫，采用Cadence的SpectreRF仿真器對所設計的多頻段LNA進行仿真，得到0.9/1.8/1.9/2GHz四頻段下LNA主要性能指標如圖4所示。

圖4（a）S₂₁指標

圖4（b）S₁₁和S₂₂指標

圖4（c） 噪聲系數NF

圖4(a)為LNA的增益S₂₁，由圖可看出，在感興趣的頻段內，LNA的增益均大于10dB，且帶內波動控制在0.4dB左右。圖4(b)所示為LNA輸入反射系數S₁₁和輸出反射系數S₂₂，與0.9GHz處相比，1.9GHz附近的頻帶寬度被適當的展寬，覆蓋了1.8～2GHz，所需頻段處S₁₁和S₂₂均在-10dB以下。在本設計中為了達到高低頻下噪聲的平衡，考慮在高頻處進行噪聲匹配。圖4(c)為LNA的噪聲系數NF和最小噪聲系數NFmin，結果表明在所希望的高頻處(約1.8GHz)確實實現了噪聲的最優化，同時四個頻段下的噪聲系數都較為平衡，均小于3.3dB。

表1綜合列出了各頻段下的仿真性能指標。