基于CMOS有源電感實(shí)現(xiàn)寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

一、前言：

隨著RF通信系統(tǒng)市場(chǎng)的增長(zhǎng)，越來越多的RF器件用MOS工藝實(shí)現(xiàn)，包括電感和電容。就電感而言，目前的多數(shù)研究集中于片上無源電感的實(shí)現(xiàn)和建模。 無源電感大多用來獲得較好的匹配和功率增益，盡管通過使用立體電感或是微機(jī)電工藝可以克服片上無源電感的低Q等缺點(diǎn)，卻無法解決其占用面積過大的缺點(diǎn)。在低噪聲放大器中，一個(gè)1～2nH的電感所占用的面積可能超過其余全部有源器件所占面積之和。而且，一個(gè)良好片上無源電感的實(shí)現(xiàn)常常要求一些特殊工藝，難以與主流的數(shù)字MOS工藝兼容。因此，在噪聲要求并非十分嚴(yán)格而對(duì)面積和價(jià)格更為關(guān)注的情況下，采用有源電感是一種不錯(cuò)的選擇。

在片上實(shí)現(xiàn)有源電感的研究已經(jīng)進(jìn)行多年，有源電感主要用于帶通濾波器和低噪聲放大器部分。但因?yàn)樵肼?、電感Q值低以及功耗等問題，有源電感在低噪聲放大器中的應(yīng)用亦不多見，主要還處于研究階段。Jhy-Neng Yang等在2001年提出了一種改進(jìn)的高Q值有源電感，解決了Q值及功耗問題。然而卻有S11與S21峰值重疊的問題。在Jhy-Neng Yang等人于2003年提出的高Q值有源電感為負(fù)載的寬帶LNA中，盡管解決了S11與S21峰值重疊的問題，卻大大增加了噪聲（達(dá)到8dB）。本文基于以上兩文的研究，對(duì)有源電感作了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于CMOS工藝的以有源電感為負(fù)載的寬帶低噪聲放大器，在滿足功耗及增益指標(biāo)的情況下解決了S11與S21峰值重疊的問題并得到較好的噪聲指標(biāo)（不超過5dB）。

文章第二部分介紹有源電感的設(shè)計(jì)原理，第三部分介紹以有源電感為負(fù)載的寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，最后給出所設(shè)計(jì)電路與已有的電路的性能參數(shù)比較。

二、有源電感原理

目前對(duì)CMOS有源電感的等效模型的研究已較多。典型的簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)CMOS有源電感如圖1所示。此電路利用了器件的寄生參數(shù)。分析電路的等效小信號(hào)模型，可得

為了提高電路的增益并增加帶寬，考慮在M1上級(jí)聯(lián)一個(gè)MOS管。得到圖2。此外亦有另外增加一個(gè)M4以增加Q值的調(diào)節(jié)度的方法，如圖3。但是，不論使用何種結(jié)構(gòu)，其電感等效電路都等效于圖4。

其中：

三、以有源電感為負(fù)載的低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

為了得到性能指標(biāo)較好的以有源電感為負(fù)載的LNA，本文對(duì)Jhy-Neng Yang等人提出的有源電感形式進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)［2］以差分形式的電感取得更好的增益，而文獻(xiàn)［3］是以單端電感形式實(shí)現(xiàn)了LNA的設(shè)計(jì)。為在較好的噪聲系數(shù)下分離S11與S21的峰值，本文提出了不對(duì)稱的雙端有源電感形式。

LNA的可選構(gòu)架包括共柵結(jié)構(gòu)和共源結(jié)構(gòu)。由于這里要設(shè)計(jì)的是寬帶LNA，并使其面積盡可能小，因此我們依然選擇了共柵結(jié)構(gòu)。

一般LNA的輸入源（如微帶天線，傳輸線）的輸出阻抗為50歐。為獲得最大功率且不在電路中產(chǎn)生反射，即得到最小S11及VSWR，LNA的輸入阻抗應(yīng)為50歐。對(duì)于共柵放大器：源端輸入阻抗為1/gm。那么只要選擇適當(dāng)?shù)钠骷叽绾推?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流，共柵放大器就可獲得50歐源端輸入阻抗。

以有源電感為負(fù)載的LNA如圖5所示。對(duì)于圖5電路，MINPUT完成輸入功能。M1～M5、MININ和MTL實(shí)現(xiàn)有源電感。M3和M4主要影響增益，而其中M5反饋系統(tǒng)的增加可以降低電感的寄生電阻值，有益于輸入輸出的50歐姆匹配，而M1～M4則有利于對(duì)電感各項(xiàng)參數(shù)，如Q值和帶寬等進(jìn)行調(diào)節(jié)，但同時(shí)更對(duì)輸入輸出的匹配產(chǎn)生影響，適當(dāng)調(diào)節(jié)其柵寬，可以改善S參數(shù)并分離S21和S11的峰值。MS2和MSF作為輸出緩沖，完成輸出阻抗變換。RL為50歐負(fù)載。而MS1與MS2都與輸入端相連，對(duì)輸入阻抗產(chǎn)生影響。其中MS1作為輸入管MINPUT的偏置，對(duì)功耗影響很大。設(shè)計(jì)時(shí)必須在功耗及S參數(shù)值間取得折中。

四、仿真結(jié)果

采用0.35um工藝對(duì)電路進(jìn)行仿真。得出仿真結(jié)果如圖6所示。可以看出，本文提出的設(shè)計(jì)成功的分離了S11與S21的峰值點(diǎn)。S11的峰值基本被抑制，波形與一般的共源結(jié)構(gòu)LNA的S11的波形相似，且在整個(gè)通帶內(nèi)都滿足S11《-10dB的要求。而S22盡管在2GHz處出現(xiàn)峰值，卻在依然整個(gè)通帶內(nèi)保持在-13dB以下。與此同時(shí)，LNA的噪聲系數(shù)在3dB帶寬內(nèi)保持在3.6至4.9dB，大大優(yōu)于文獻(xiàn)［3］中的8dB值，基本滿足寬帶LNA的要求。而電路的功耗亦保持在20mW，與文獻(xiàn)［3］中的功耗相當(dāng)。將仿真結(jié)果與國(guó)際上一些已完成項(xiàng)目做比較，如表1。

表1：LNA性能參數(shù)比較

五、結(jié)論：

本文設(shè)計(jì)了一種以有源電感為負(fù)載的寬帶低噪聲放大器，采用有源電感代替片上螺旋電感，大大縮小了芯片面積。在權(quán)衡各項(xiàng)指標(biāo)的情況下得到較為理想的性能參數(shù)，并得到HSPICE仿真結(jié)果論證。S21達(dá)到10dB，電壓增益為17dB。在3dB帶寬內(nèi)，S11在-12~-17之間，NF在3.6至4.9之間。通帶的反向隔離大于40dB，S21亦在－14dB以下。

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