5.6GHz CMOS低噪声放大器设计

摘要：分析了一种射频COMS共源-共栅低噪声放大器的设计电路，采用TSMC 90nm低功耗工艺实现。仿真结果表明：在5．6GHz工作频率，电压增益约为18．5dB；噪声系数为1．78dB；增益1dB压缩点为-21．72dBm；输入参考三阶交调点为-11．75dBm。在l．2V直流电压下测得的功耗约为25mW。
关键词；互补金属氧化物半导体；低噪声放大器；噪声系数；线性度；

0 引言
    低噪声放大器(LNA)是射频接收机前端的主要部分。它主要有四个特点：首先，它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。放大器在工作频段内应该是稳定的。其次，它接受的信号是很微弱的，所以低噪声放大器必定是一个小信号线性放大器。第三，低噪声放大器一般通过传输线直接和天线相连，放大器的输入端必须与其有很好的匹配，以达到最大传输功率或最小的噪声系数。第四，应具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干扰。
    在GHz频率范围内，CMOS工艺相比其他工艺有价格低、集成度高、功耗低等优点，利用CMOS工艺来设计射频集成电路已经得到越来越广泛的应用，本文即采用CMOS工艺来实现对一种5．6GHz低噪声放大器的设计。

1 LNA结构及性能分析
    由于带源端负反馈电感的共源放大器具有噪声系数低、增益高、线性度好，以及可实现输入阻抗匹配等优点，因此在无线收发机系统中得到广泛应用。为了减小晶体管的Miller效应和有限输出阻抗对放大器性能的影响，并提供良好的方向隔离性能，低噪声放大器通常采用Cascode结构。具体电路如图1所示。

    共栅方式连接的晶体管M2用来减少调谐输出与调谐输入之间的相互作用，并同时减少Ml的Cgd的影响。晶体管；M3基本上是与M1形成一个电流镜，通过M3的电流是由电源电压和Rref以及M3的Vgs决定的。电阻RBIAS选择得足够大，所以它的等效噪声电流小到足以被忽略。为了完成偏置，必须用一个隔断DC的电容CB来防止影响M1的栅源偏置。
    M1源级接Ls，形成源级负反馈结构，栅极接Lg，做输入匹配使用。若忽略栅漏电容Cgd，则其输入阻抗可以表示为：

    其中Lg、Ls为片上平面螺旋电感。为了实现50Ω阻抗匹配，通过调谐感抗，使其在谐振频率ωo处谐振，上式的虚部为零，实部等于50Ω。这种匹配设计的好处在于使用等效电阻实现与输入端的匹配，而无需引入实际电阻，因而减少了额外的热噪声。即如下式：
   
    这就是源极负反馈结构在LNA设计中普遍采用的一个原因。在设计过程中，由式(3)根据M1的参数和50Ω匹配条件设计出Ls，再由式(2)根据工作频率点和滤波要求确定栅极电感Lg。
    文献中给出源极电感负反馈的噪声模型和计算噪声的公式：
   
式中：RL、Rg分别代表栅极电感Lg的寄生电阻和M1的栅极电阻；ωT为截止频率；γ是与工艺有关的一个噪声参数。工艺参数X，α和反馈电感Ls的品质因数QL的表达式为
   
   
式中：c为栅-漏极噪声的相关系数；σ是另一个与工艺相关的噪声参数，且σ=2λ；gdO为M1零偏置时的跨导。
    分析式(4)可知，QL存在一个最佳值，使LNA的噪声为最小
   

2 LNA电路设计
    设计过程中，首先根据功耗约束条件下获得最优噪声的栅宽公式，计算主放大管的栅宽
   
式中，ω为角频率，L为栅长，Cox为栅氧化层电容，源电阻Rs=50Ω，QSP为噪声最优匹配时输入端的品质因数，取其值为4．5，可得栅宽大约为160 μm。所设计电路工作在5．6GHz，由式(1)(2)经计算和仿真，取Ls为0．439nH，Lg为2．873nH和Ld为2．546nH。

3 仿真结果及其分析
    本文设计的LNA采用TSMC 90nm RFCMOS低功耗工艺实现，使用MentorGraphics的Eldo仿真器对该LNA进行模拟分析。根据前面的分析和实际调试，得到优化后放大管和共栅管的栅宽均为160 μm；
    图2～7给出了电路的仿真结果。整个放大器电路的噪声系数达到1．78dB；IIP3达到-11．76dB。在整个工作频段，电路的稳定性因子K>1，其中K为：
   
电路是稳定的。
    各项仿真结果指标如表1所示：

4 结论
    由于存在很多折衷考虑，射频LNA的设计很复杂。本文设计了一个应用于无线接收机射频前端的LNA，通过对共源共栅结构的分析，从阻抗匹配、噪声系数和线性度的角度对电路的性能进行优化，设计出了一种5．6GHz的LNA。在90nm CMOS工艺下，利用MentorGralahics的Eldo工具软件对电路进行了仿真，结果显示，LNA的阻抗匹配、噪声系数和线性度等参数都达到了良好的性能。
    本文作者的创新点：在分析共源共栅结构的基础上利用先进的90nm制程工艺，计算调试出5．6GHz的LNA的电路结构，对LNA的设计具有一定的参考价值。