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]：(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(shì)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^[2]，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L_g和L_s，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L_s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C_gd，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)^[3]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L_g2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C_gd2的值比較小，所以對(duì)于輸出端阻抗而言，L_g2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龋栽黾覮_g2后并沒有影響LNA的增益，電壓增益為：

(4)

其中Z_Load=jwL_out//(jwC_out)^-1//R_out，Z_s是源端電感L_S的阻抗。

放大器的穩(wěn)定系數(shù)為^[3]

 （5）
其中Δ= S₁₁S₂₂-S₁₂S₂₁ （6）

穩(wěn)定系數(shù)K能快速給出穩(wěn)定性判別依據(jù)，當(dāng)K>1，|Δ|<1時(shí)，LNA將會(huì)無條件穩(wěn)定。那么由公式(5)和(6)可知，若反向增益S₁₂減小，那么K值將會(huì)增大，LNA將會(huì)增加穩(wěn)定性。從圖2(b)可以看到，由電感L_g2和MOS管的電容C_gd2組成一個(gè)低電阻通路使得從輸出端反饋回來的信號(hào)流向接地端，從而降低了反向增益S₁₂，提高了LNA的穩(wěn)定度^[3]。

4、偏置電流復(fù)用結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代無線通信設(shè)備要求具有更小尺寸，更輕重量，更長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間。這就要求降低射頻前端的電源電壓，因此低電壓、低功耗技術(shù)成為迫切需要。由公式(3)可知當(dāng)輸入端處于諧振時(shí)L_s=R_sC_gs/g_ml，其中C_gs是圖1中M1管柵極和源極之間的電容，g_ml是M1管的跨導(dǎo)，則LNA的噪聲系數(shù)為[4]：

（7）

由(7)可知增大gml可以減小噪聲系數(shù)。圖1所示的cascode結(jié)構(gòu)可以獲得較小的噪聲系數(shù)，但是往往需要比較大的漏極電流Id，增大了直流功耗。文獻(xiàn)[4]中提出了偏置電流復(fù)用技術(shù)，其基本思想是：為了節(jié)省直流功耗，可以將PMOS管和NMOS管串聯(lián)在直流偏置通路里，對(duì)其結(jié)構(gòu)的說明如圖3所示。

圖3(a)所示的單個(gè)NMOS器件的寬長(zhǎng)比和漏極電流I_d都是(b)所示的單個(gè)NMOS的兩倍，但由于兩個(gè)NMOS并聯(lián)，因此(a)和(b)具有相同的跨導(dǎo)值g_m。(c)中的M2是PMOS管，且和(b)中的NMOS管具有相同的寬長(zhǎng)比，由于PMOS器件的電子遷移率比NMOS稍低^[2]，所以g_mc=(g_ml+g_m2)m，即其跨導(dǎo)值略低，而它的輸入電容和C_gs近似。由(7)式可知(c)電路結(jié)構(gòu)的噪聲系數(shù)將略增一點(diǎn)，但是由于電流減小了一半，因此在電源電壓一定的情況下能夠有效降低電路的功耗，有利于低功耗LNA設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn) 

[1]   Pietro Andreani, Henrik Sjoland. Noise optimization o f an inductively degenerted CMOS low noise amplifier [ J ] . IEEE Trans. On Circuits and Systems, 2001, 48 ( 9) : 835 841.
[2]   Thomas H . Lee. CMOS 射頻集成電路設(shè)計(jì)[ M ] .北京: 電子工業(yè)出版社, 2002, 220 248.
[3]   Seyed Hossein Miri Lavasani, Sayfe Kiaei. A new method to stabilize high frequency high gain CMOSLNA [ J ] . IEEE Conference on Circuits and Systems, 2003, 982 985.
[4]   Andrew N. Karanicolas A 21 7 V 900 M Hz CMOS LNA and mixer [ J] . IEEE Journal of So lid state Circuits, 1998, 31 ( 12) : 1939 1944.

作者：楊國(guó)敏，肖高標(biāo)