無增益折衷的CMOS LNA輸入匹配網(wǎng)絡(luò)

如今，大多數(shù)無線接收器通常都需要有高增益的LNA。作為接收器鏈中的第一個有源組件（active block），LNA應(yīng)該提供足夠的增益，以克服后續(xù)級帶來的噪聲，并盡可能減少噪聲。然而，在一些如IEEE 802.15.4的無線標(biāo)準(zhǔn)中，LNA的噪聲系數(shù)（NF）不是一個關(guān)鍵的性能參數(shù)^1，2。NF要求可以適當(dāng)放寬，以優(yōu)化其他設(shè)計(jì)參數(shù)，如增益、功耗和芯片面積。在這篇文章中提出的LNA是專門為IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。

流行的LNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是源極電感負(fù)反饋（inductive source-degeneration）共源LNA（LCSLNA）、共柵LNA（CGLNA）和電阻反饋LNA（RFLNA）。由于其方便的輸入匹配、高增益和低噪聲，L-CSLNA通常是超低功耗窄帶應(yīng)用的首選^3-6。但是，其增益性能會受到輸入匹配條件的限制。在L-CSLNA的高增益和良好的輸入匹配之間存在一個折衷問題。在這篇文章中，提出的LNA的輸入匹配是通過一個電容反饋方案和一個Л匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。相比L-CSLNA，電容反饋有助于減少輸入匹配所需的電感數(shù)目。此外，利用Л匹配網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)較高的增益和更大的設(shè)計(jì)自由度。Chung和Shahroury實(shí)現(xiàn)了利用電容反饋進(jìn)行輸入匹配的概念⁷。不過，所使用的LNA采用的是非級聯(lián)結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)高反向隔離，它利用了一個多級結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致了非常高的功耗。提出的LNA采用單級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，給出了輸入匹配、增益和NF的詳細(xì)分析。LNA是采用IBM 0.13μm RF CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

源極電感負(fù)反饋共源LNA

輸入阻抗分析的L-CSLNA原理圖及其等效小信號電路如圖1所示。C_Y包括節(jié)點(diǎn)Y的所有寄生電容，可以近似為：

R_Y是來自節(jié)點(diǎn)Y的M₂源的總阻抗，在此電路中，R_Y可近似為1/gm2，此處的gm2是晶體管M2的跨導(dǎo)。推導(dǎo)出的L-CSLNA的輸入阻抗是：

其中是工作頻率，Cgs1和Cgd1是寄生柵源和柵漏電容，gm1是晶體管M1的跨導(dǎo)。當(dāng) 時，Zin_L可以簡化為：

這與經(jīng)典結(jié)果是一致的。在諧振頻率，輸入阻抗Rin_L等于gm1Ls/Cgs1和晶體管gm1的跨導(dǎo)，可有效地提高Geff_Lgm1，其中Geff_L是：

0是諧振頻率。在輸入匹配條件下這個LNA的噪聲系數(shù)是：

在方程5中，RLg是電感Lg的寄生串聯(lián)電阻，Rg是晶體管M1的柵極電阻， ?和 分別是晶體管M1和M2的漏電流噪聲， 是輸入源電壓噪聲。大gm1和小Cgs1是實(shí)現(xiàn)高增益和低噪聲所必需的^4，5。由于輸入匹配條件，Ls的值通常相當(dāng)小。小Ls的要求有時會成為LNA設(shè)計(jì)的一個困擾，因?yàn)椴皇撬械碾姼兄刀歼m用于工藝設(shè)計(jì)套件（PDK）。

提出的具有匹配網(wǎng)絡(luò)的電容反饋CSLNA

Cheng⁷介紹的LNA使用了輸入器件的寄生柵漏電容和輸出電容CL，以形成電容反饋匹配網(wǎng)絡(luò)。只有一個電感用來實(shí)現(xiàn)輸入匹配。不過，該分析只適用于非級聯(lián)結(jié)構(gòu)。對于CS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，要有高反向隔離和良好的穩(wěn)定性，級聯(lián)是首選的結(jié)構(gòu)。在這里，介紹了級聯(lián)結(jié)構(gòu)的分析。其原理如圖2所示。基于小信號電路（b），級聯(lián)電容反饋LNA的輸入網(wǎng)絡(luò)可以轉(zhuǎn)換為一個包括Lg、Cf和Rf的串聯(lián)RLC匹配網(wǎng)絡(luò)。Cf和Rf的值可以推導(dǎo)得出：

且

Cx和Rx可以按以下方程計(jì)算

為了實(shí)現(xiàn)輸入匹配，Rf的設(shè)計(jì)等于Rs。此輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的有效增益是：

該LNA在輸入條件觀看到的噪聲系數(shù)可以推導(dǎo)得出：

與L-CSLNA相比，電容反饋LNA需要的輸入匹配電感數(shù)量較少。但這樣做的好處伴隨著較高NF的折衷問題，這可以從方程5和11觀察到。從方程4和10看到，以上討論的兩個LNA的輸入網(wǎng)絡(luò)的有效增益受到了50 Ω匹配條件的限制。為了實(shí)現(xiàn)良好的輸入匹配，Rf和（gm1Ls/Cgs1）必須匹配到50 Ω。這將限制Geff_L和Geff_no_L的選擇，因此限制了這兩個LNA可實(shí)現(xiàn)的增益。在這兩個LNA中存在著高增益和良好的輸入匹配之間折衷的問題。