【導(dǎo)讀】本文給出了一種1 ～ 3 GHz 頻段的寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，電路采用電阻負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，采用SMIC 0.18 μm RF CMOS 工藝對(duì)寬帶低噪聲放大器進(jìn)行了優(yōu)化分析和仿真，結(jié)果表明在寬帶匹配、通道增益及噪聲系數(shù)方面都取得了較好的性能，對(duì)于寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。
隨著衛(wèi)星通信、調(diào)頻技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)射頻前端特別是低噪聲放大器的工作頻帶提出了更高的要求，傳統(tǒng)的窄帶低噪聲放大器越來(lái)越受到限制。低噪聲放大器位于射頻的最前端，根據(jù)通道噪聲系數(shù)的理論，低噪聲放大器的增益和噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)射頻通道的噪聲系數(shù)起著及其重要的作用。基于CMOS 工藝的低噪聲放大器經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其噪聲系數(shù)及增益都已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，但是其大多需要采用無(wú)源電感器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。眾所周知，基于CMOS 工藝的電感不僅占用較大的芯片面積，而且其品質(zhì)因數(shù)性能也通常不會(huì)超過(guò)10。同時(shí)在一些大規(guī)模應(yīng)用的場(chǎng)合，在管芯的鍵合、封裝時(shí)由于鍵合線的長(zhǎng)度不可控、寄生電容不同等原因，傳統(tǒng)的片外匹配電路通常會(huì)發(fā)生較大的變化，電路性能受到較大的影響。
本文設(shè)計(jì)一種集成度高、匹配方便的寬帶低噪聲放大器，而基于寬帶匹配的pH 甚至fH 級(jí)的電感在現(xiàn)有的集成電路制造及鍵合水平下將是很?chē)?yán)重的瓶頸問(wèn)題。而且運(yùn)用較多的電感、電容也是其目前不能大規(guī)模應(yīng)用的重要原因，所以研究基于CMOS工藝的無(wú)電感型寬帶低噪聲放大器具有重 要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。
1 結(jié)構(gòu)分析
低噪聲放大器是無(wú)線接收系統(tǒng)中第一個(gè)模塊，影響著整個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能和靈敏度等參數(shù)。隨著超寬帶技術(shù)的發(fā)展，寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)已成為當(dāng)前設(shè)計(jì)的一個(gè)熱點(diǎn)。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，當(dāng)前寬帶低噪聲放大器的結(jié)構(gòu)大致有帶通濾波網(wǎng)絡(luò)匹配和電阻負(fù)反饋2 種結(jié)構(gòu)。
帶通濾波網(wǎng)絡(luò)匹配結(jié)構(gòu)主要是基于傳統(tǒng)的源級(jí)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器，在輸入端口處采用帶通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶乃至超寬帶匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入S 參數(shù)的匹配。在低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)時(shí)，此結(jié)構(gòu)是窄帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)中提供阻抗和噪聲同時(shí)匹配的經(jīng)典技術(shù)。因此，要在寬帶內(nèi)獲得良好的輸入匹配及平坦的增益，就必須在輸入端加入較高階數(shù)的LC帶通濾波器以展寬低噪聲放大器的工作頻帶。由于該匹配網(wǎng)絡(luò)為同頻帶的帶通濾波器，通常需要2 階乃至3 階的帶通濾波器，這就意味著需要在芯片內(nèi)部需要多個(gè)電感，這就會(huì)導(dǎo)致 芯片面積較大。同時(shí)，為了達(dá)到輸入匹配，該結(jié)構(gòu)引入了源級(jí)負(fù)反饋電感，電感值通常較少，封裝參數(shù)將會(huì)對(duì)源級(jí)負(fù)反饋電感造成很大的影響。該源級(jí)負(fù)反饋電感一般取值較小，在片實(shí)現(xiàn)時(shí)很難保證精度，從而影響輸入端的匹配。
電阻負(fù)反饋型低噪聲放大器由于其占用面積小、噪聲系數(shù)低以及良好的線性度性能等特點(diǎn)，在無(wú)電感型寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中存在較大的優(yōu)勢(shì)。電阻負(fù)反饋型低噪聲放大器可以提供良好的寬帶匹配和平坦的增益。但是其負(fù)反饋會(huì)導(dǎo)致噪聲性能的惡化和最大可用增益的降低，電阻負(fù)反饋型低噪聲放大器原理圖如圖1 所示。
圖1 電阻負(fù)反饋型低噪聲放大器原理
在電阻負(fù)反饋型低噪聲放大器中，輸入阻抗由反饋電阻和反饋放大器的閉環(huán)增益的比值決定。反饋電阻Rf的值通常遠(yuǎn)大于源阻抗Rs。因此，為了匹配低的源噪聲電阻( 典型值為50 Ω) ，反饋電阻一般在幾百歐姆的量級(jí)，這一點(diǎn)也加重了噪聲指數(shù)的升高。在電阻負(fù)反饋的低噪聲放大器中，反饋電阻直接與輸出相連，需要在噪聲系數(shù)與輸入阻抗匹配直接做出一些折中，通常在反饋電阻與輸出端口之間增加緩沖電路來(lái)減少它們之間的影響，其電路原理如圖2 和圖3 所示。
圖3 改進(jìn)的負(fù)反饋型寬帶低噪聲放大器
M2、M3 共同組成源跟隨電路，起著隔離輸入輸出端口，減小反饋電阻與輸出電路的作用，同時(shí)該源跟隨器還起著增大輸出驅(qū)動(dòng)能力的作用，其輸出電阻為1 /gm2。合理地調(diào)節(jié)M2 的寬長(zhǎng)比及偏置電流，可以使其輸出阻抗匹配至50 Ω。
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2 電路設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器的完整電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。該電路為單端結(jié)構(gòu)，共有2 級(jí)。其中，M1、RL構(gòu)成了第1 級(jí)的放大電路; M2、M3 為源級(jí)跟隨器，為寬帶低噪聲放大器的第2 級(jí)，2級(jí)電路之間通過(guò)電容進(jìn)行耦合，Vbias為第2 級(jí)電路的偏置電壓，Rf為反饋電阻，主要起著調(diào)整輸入電阻作用，同時(shí)它和M1 也在很大程度上影響著噪聲系數(shù)，因此，在電路設(shè)計(jì)中需要對(duì)其阻值進(jìn)行折中。合理調(diào)整反饋電阻Rf及M1 管的寬長(zhǎng)比，便可實(shí)現(xiàn)良好的輸入匹配。M1 柵極的噪聲經(jīng)過(guò)主放大電路進(jìn)行放大，在M1 的漏端的噪聲電壓與器相位相反，該噪聲電壓經(jīng)過(guò)源級(jí)跟隨電路后相位與之前相同，即與M1 的柵極噪聲電壓極性相反，經(jīng)過(guò)反饋電阻后在M1 的柵極處形成噪聲抵消，合理調(diào)節(jié)共源放大電路與源級(jí)跟隨電路的增益可以使得主放大電路M1 管的溝道熱噪聲完全抵消。
圖3 改進(jìn)的負(fù)反饋型寬帶低噪聲放大器
該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:
① 在工作頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1 ～ 3 GHz 寬帶匹配，使其S11＜－15 dB;
② 帶內(nèi)增益＞14 dB;
③ M1 的溝道熱噪聲被反饋電路降低，在寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)NF＜3． 6 dB。通過(guò)分析小信號(hào)模型和噪聲系數(shù)，得到該結(jié)構(gòu)的輸入阻抗為:
式中，Qsp的值為3． 5 ～ 5． 5，在該范圍內(nèi)噪聲的影響很小，Qsp取最佳值4． 5 時(shí)，噪聲可表示為:
當(dāng)上面2 個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，低噪聲放大器絕對(duì)穩(wěn)定; 如果這2 個(gè)條件不能同時(shí)滿足，低噪聲放大器會(huì)存在潛在的不穩(wěn)定和振蕩，本文所設(shè)計(jì)的寬帶低噪聲放大器的版圖如圖4 所示。
圖4 寬帶低噪聲放大器的整體版
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3 仿真結(jié)果分析
在對(duì)電阻負(fù)反饋型寬帶低噪聲放大器電路分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于SMIC 0． 18 μm RFCMOS 工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，在Cadence Virtuoso 平臺(tái)上對(duì)電路原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)噪聲系數(shù)、S11、S21等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真優(yōu)化后得到的LNA 的S 參數(shù)、噪聲系數(shù)的仿真結(jié)果如圖5、圖6 和圖7 所示，電阻反饋型低噪聲放大器在工作頻帶范圍內(nèi)提供了較平坦的高增益，在1 ～ 3 GHz 的頻帶，相應(yīng)的仿真結(jié)果為: S11 ＜－15 dB，增益＞14 dB，并在在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)的平坦度較好，增益波動(dòng)＜2． 6 dB，噪聲系數(shù)＜3． 6 dB。
圖5 寬帶匹配的S11參數(shù)
圖6 寬帶低噪聲放大器的帶內(nèi)增益
圖7 寬帶低噪聲放大器的噪聲系數(shù)
本文設(shè)計(jì)的寬帶低噪聲放大器與已經(jīng)發(fā)表文獻(xiàn)中的寬帶低噪聲放大器的性能比較如表1 所示，這些文獻(xiàn)均采用0． 18 μm 工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有一定的比較意義。通過(guò)表1 可以看出，本設(shè)計(jì)中各項(xiàng)參數(shù)都達(dá)到了較好的性能指標(biāo)，避免了傳統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)中需要采用電感的缺點(diǎn)，而電感通常在電路設(shè)計(jì)中占用非常大的面積，本文設(shè)計(jì)的寬帶低噪聲放大器省略了傳統(tǒng)低噪聲放大器設(shè)計(jì)中的電感，這將在很大程度上減少芯片的面積; 更為重要的是該芯片依靠自身的MOS 管和比例電阻實(shí)現(xiàn)了內(nèi)匹配，避免了大批量應(yīng)用時(shí)由于芯片內(nèi)部參數(shù)受工藝參數(shù)影響而造成的外圍匹配電路的更改，簡(jiǎn)化了芯片的應(yīng)用，在實(shí)際的工程應(yīng)用中具有重要的意義。
