以有源电感为负载的CMOS宽带LNA设计
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关键词：有源电感，CMOS，宽带低噪声放大器
一、前言：
随着RF通信系统市场的增长，越来越多的RF器件用MOS工艺实现，包括电感和电容。就电感而言，目前的多数研究集中于片上无源电感的实现和建模。 无源电感大多用来获得较好的匹配和功率增益[1]，尽管通过使用立体电感或是微机电工艺可以克服片上无源电感的低Q等缺点，却无法解决其占用面积过大的缺点。在低噪声放大器中，一个1～2nH的电感所占用的面积可能超过其余全部有源器件所占面积之和。而且，一个良好片上无源电感的实现常常要求一些特殊工艺，难以与主流的数字MOS工艺兼容。因此，在噪声要求并非十分严格而对面积和价格更为关注的情况下，采用有源电感是一种不错的选择。
在片上实现有源电感的研究已经进行多年，有源电感主要用于带通滤波器和低噪声放大器部分。但因为噪声、电感Q值低以及功耗等问题，有源电感在低噪声放大器中的应用亦不多见，主要还处于研究阶段。Jhy-Neng Yang等在2001年提出了一种改进的高Q值有源电感[2]，解决了Q值及功耗问题。然而却有S11与S21峰值重叠的问题。在Jhy-Neng Yang等人于2003年提出的高Q值有源电感为负载的宽带LNA中[3]，尽管解决了S11与S21峰值重叠的问题，却大大增加了噪声（达到8dB）。本文基于以上两文的研究，对有源电感作了改进，设计了一个基于CMOS工艺的以有源电感为负载的宽带低噪声放大器，在满足功耗及增益指标的情况下解决了S11与S21峰值重叠的问题并得到较好的噪声指标（不超过5dB）。
文章第二部分介绍有源电感的设计原理，第三部分介绍以有源电感为负载的宽带低噪声放大器的设计，最后给出所设计电路与已有的电路的性能参数比较。
二、有源电感原理
图1：有源电感原理图 图2：改善增益的有源电感
目前对CMOS有源电感的等效模型的研究已较多。典型的简单的级联CMOS有源电感如图1所示。此电路利用了器件的寄生参数。分析电路的等效小信号模型，可得[4]：
为了提高电路的增益并增加带宽，考虑在M1上级联一个MOS管。得到图2。此外亦有另外增加一个M4以增加Q值的调节度的方法，如图3。但是，不论使用何种结构，其电感等效电路都等效于图4。
其中：
寄生电阻主要由M2决定。
三、以有源电感为负载的低噪声放大器的设计
为了得到性能指标较好的以有源电感为负载的LNA，本文对Jhy-Neng Yang等人提出的有源电感形式进行了改进。文献[2]以差分形式的电感取得更好的增益，而文献[3]是以单端电感形式实现了LNA的设计。为在较好的噪声系数下分离S11与S21的峰值，本文提出了不对称的双端有源电感形式。
LNA的可选构架包括共栅结构和共源结构。由于这里要设计的是宽带LNA，并使其面积尽可能小，因此我们依然选择了共栅结构。
一般LNA的输入源（如微带天线，传输线）的输出阻抗为50欧。为获得最大功率且不在电路中产生反射，即得到最小S11及VSWR，LNA的输入阻抗应为50欧。对于共栅放大器：源端输入阻抗为1/gm。那么只要选择适当的器件尺寸和偏置电流，共栅放大器就可获得50欧源端输入阻抗。
图5：设计的有源电感为负载的宽带LNA
以有源电感为负载的LNA如图5所示。对于图5电路，MINPUT完成输入功能。M1～M5、MININ和MTL实现有源电感。M3和M4主要影响增益，而其中M5反馈系统的增加可以降低电感的寄生电阻值，有益于输入输出的50欧姆匹配，而M1～M4则有利于对电感各项参数，如Q值和带宽等进行调节，但同时更对输入输出的匹配产生影响，适当调节其栅宽，可以改善S参数并分离S21和S11的峰值。MS2和MSF作为输出缓冲，完成输出阻抗变换。RL为50欧负载。而MS1与MS2都与输入端相连，对输入阻抗产生影响。其中MS1作为输入管MINPUT的偏置，对功耗影响很大。设计时必须在功耗及S参数值间取得折中。
四、仿真结果
采用0.35um工艺对电路进行仿真。得出仿真结果如图6所示。可以看出，本文提出的设计成功的分离了S11与S21的峰值点。S11的峰值基本被抑制，波形与一般的共源结构LNA的S11的波形相似，且在整个通带内都满足S11<-10dB的要求。而S22尽管在2GHz处出现峰值，却在依然整个通带内保持在-13dB以下。与此同时，LNA的噪声系数在3dB带宽内保持在3.6至4.9dB，大大优于文献[3]中的8dB值，基本满足宽带LNA的要求。而电路的功耗亦保持在20mW，与文献[3]中的功耗相当。将仿真结果与国际上一些已完成项目做比较，如表1。
图6：宽带LNA仿真结果
表1：LNA性能参数比较
|
|
NF/dB |
S11/dB |
S21/dB |
有源电感 |
3dB带宽/GHz |
工艺/um |
功耗/mW |
|
本文 |
3.6~4.9 |
-12~-17 |
10 |
是 |
1.1 |
0.35 |
20 |
|
文献[5] |
2.1 |
-4~-5 |
15~12 |
否 |
1 |
0.18 |
23.2 |
|
文献[6] |
4.8 |
-16 |
8 |
否 |
0.8 |
0.24 |
10 |
|
文献[7] |
3 |
-6~-12 |
8-4 |
否 |
1 |
0.35 |
20 |
|
文献[8] |
3.9~4.3 |
-15.11~-18 |
16.4~16.98 |
否 |
1.7 |
0.18 |
21 |
|
文献[9] |
3.9 |
-7~-16 |
28 |
否 |
1.4 |
0.13 |
3.9 |
|
文献[10] |
2 |
|
19.2 |
是 |
窄带 |
0.3 |
40.8 |
|
文献[3] |
8 |
-17 |
20 |
是 |
1 |
0.25 |
18 |
五、结论：
本文设计了一种以有源电感为负载的宽带低噪声放大器，采用有源电感代替片上螺旋电感，大大缩小了芯片面积。在权衡各项指标的情况下得到较为理想的性能参数，并得到HSPICE仿真结果论证。S21达到10dB，电压增益为17dB。在3dB带宽内，S11在-12~-17之间，NF在3.6至4.9之间。通带的反向隔离大于40dB，S21亦在－14dB以下。
【参考文献】
[1] 陈伟，刘和光．基于Matlab的RF系统阻抗匹配设计［J］．微计算机信息，2006，4-2：116-117。
[2] J.N. Yang, Y. Ch. Cheng, T. Y. Hsu et. Al, “A 1.75GHz Inductor-less CMOS Low Noise Amplifier With High-Q Active Inductor Load”, Circuits and Systems,2001. Vol. 2, Page(s):816-819.
[3] J.N. Yang, Y.Ch Cheng; Chen-Yi Lee; “A design of CMOS broadBand amplifier with high-Q active inductor”, System-on-Chip for Real-Time Applications, 2003. Proceedings. The 3rd IEEE International Workshop on 30 June-2 July 2003 Page(s):86 - 89
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[5] M. Madihian, H. Fujii. H. Yoshida, H. Suzuki, and T. Yamazaki, “A 1~10GHz 0.18 um CMOS Chipset for Multi-Mode Wireless Applications,” IEEE Microwave Symposium Digest, 2001.vol. 3, pp. 1865-1868.
[6] D. Mukhejee, J. Bhattacharjee, S. Chakrahony, and J.Laskar, “A 5-6GHz Fully-Integrated CMOS LNA for a Dual-Band WLAN Receiver,” IEEE Radio and Wireless Conference,2002. pp. 213-215.
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[9] Gaubert, J.; Egels, M.; Pannier, P.; Bourdel, S.; “Design method for broadBand CMOS RF LNA”, Electronics Letters, 2005.Vol.41, (7), Page(s):382 – 384.
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