射頻低噪聲放大器電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、射頻LNA設(shè)計(jì)要求

低噪聲放大器(LNA)作為射頻信號(hào)傳輸鏈路的第一級(jí)，它的噪聲系數(shù)特性決定了整個(gè)射頻電路前端的噪聲性能，因此作為高性能射頻接收電路的第一級(jí)LNA的設(shè)計(jì)必須滿足：

(1)較高的線性度以抑制干擾和防止靈敏度下降；

(2)足夠高的增益，使其可以抑制后續(xù)級(jí)模塊的噪聲；

(3)與輸入輸出阻抗的匹配，通常為50Ω；

(4)盡可能低的功耗，這是無線通信設(shè)備的發(fā)展趨勢所要求的。

2、Inductive degenerate cascode結(jié)構(gòu)LNA

Inductive-degenerate cascode結(jié)構(gòu)是射頻LNA設(shè)計(jì)中使用比較多的結(jié)構(gòu)之一，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)能夠增加LNA的增益，降低噪聲系數(shù)，同時(shí)增加輸入級(jí)和輸出級(jí)之間的隔離度，提高穩(wěn)定性。Inductive-degenerate cascode結(jié)構(gòu)在輸入級(jí)MOS管的柵極和源極分別引入兩個(gè)電感Lg和Ls，通過選擇適當(dāng)?shù)碾姼兄?，使得輸入回路在電路的工作頻率附近產(chǎn)生諧振，從而抵消掉輸入阻抗的虛部。在圖1中LNA的輸入阻抗為：

(1)

當(dāng)處于諧振狀態(tài)時(shí)： (2)

那么： (3)

輸入阻抗呈現(xiàn)純電阻特性，其值由Ls和確定。由分析可知應(yīng)用Inductive-degenerate cascode結(jié)構(gòu)輸入阻抗得到一個(gè)50Ω的實(shí)部，但是這個(gè)實(shí)部并不是真正的電阻，因而不會(huì)產(chǎn)生噪聲，所以很適合作為射頻LNA的輸入極。

3、高穩(wěn)定度的LNA

cascode結(jié)構(gòu)在射頻LNA設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，但是當(dāng)工作頻率較高時(shí)由于不能忽略MOS管的寄生電容Cgd，因而使得整個(gè)電路的穩(wěn)定特性變差。對(duì)于單個(gè)晶體管可通過在其輸入端串聯(lián)一個(gè)小的電阻或在輸出端并聯(lián)一個(gè)大的電阻來提高穩(wěn)定度，但是由于新增加的電阻將使噪聲值變壞，因此這一技術(shù)不能用于低噪聲放大器。

文獻(xiàn)對(duì)cascode結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)，在圖1的基礎(chǔ)上通過在M2管的柵極接上一個(gè)小值的電感Lg2就可以實(shí)現(xiàn)在增益不變的情況下，提高電路的穩(wěn)定性，同時(shí)在M2管的漏極上接一個(gè)小值的電阻以調(diào)節(jié)電壓增益如圖2(a)所示。(b)所示的是小信號(hào)等效電路，其中Z1代表省略部分的等效阻抗，可以看到由于M2管的寄生電容Cgd2的值比較小，所以對(duì)于輸出端阻抗而言，Lg2幾乎可以忽略。因?yàn)榉糯笃鞯脑鲆娴扔谳敵鲎杩购洼斎胱杩怪抵?，所以增加Lg2后并沒有影響LNA的增益，電壓增益為：

(4)

其中ZLoad=jwLout//(jwCout)-1//Rout，Zs是源端電感LS的阻抗。