基于功耗限制的CMOS低曝声放大器化设计

　　在无线射频接收机中，射频信号要经过诸如滤波器、低噪声放大器及中频放大器等单元模块进行传输。由于每个单元都有固有噪声，从而造成输出信噪比变差。采用多级级联的系统，前面几级的噪声系数对系统影响。为了降低整个系统的噪声系数，必须降低、二级的噪声系数并适当提高它们的功率增益，以降低后面各级的噪声对系统的影响[1]。低噪声放大器LNA(L0W-Noise Amplifier)作为无线射频接收机前端的关键部件，要求：(1)噪声，同时又要求具有一定的增益。(2)要求它有足够大的线性范围。(3)要求它与输入和输出端口有良好的匹配，以达到功率传输或者噪声系数，而这两者又很难同时达到，需要选择一个折衷方案。(4)要求它应具有一定的选频功能，以抑制带外和镜像频率的干扰。基于低噪声放大器的上述四方面要求，本文从功耗限制下的噪声化、阻抗匹配及小信号增益方面出发，详细讨论低噪声放大器的设计方法，并采用0.25μmCMOS工艺设计一种工作在2.4GHz频率下、可应用于蓝牙系统收发器的全集成的低噪声放大器。
1 电路分析与设计

　　采用电感源极负反馈、单端输入的基本电路形式[2-3]实现的低噪声放大器(LNA)如图1所示。图中，M1、M2和LS组成电感负反馈共源共栅casocode放大电路，以获得高隔离度、低噪声系数和良好的输入阻抗匹配。在输入回路中，Lg1、Lg2与M1的Cgs1及Ls。谐振在2.4GHz，并与输入端50=Ω阻抗相匹配，Cb1为输入端的隔直电容。在输出回路中，Lt与M2漏极的等效电容谐振在2.4GHz。M3、Rref和Rbias组成偏置电路，调节Rref的大小可控制电路直流工作点和静态功耗。M1栅极的偏置电压主要由Rref和M3决定，而Rbias可以进行微调。

1.1 功耗限制下的噪声化

　　主放大管M1对电路的噪声贡献，主要表现为沟道热噪声和栅感应噪声。根据噪声理论[4-5]，沟道宽度W和静态电流越大，噪声越小，但实际的设计必须考虑功耗的限制，不可能用增大功耗的办法来减小噪声。本设计的功耗要求小于15mW。下面以此为约束条件推导出如何选择M1的尺寸以获得噪声。

系统噪声系数的近似表达式为：

　　式中，γ、δ分别为MOS管沟道热噪声系数和感应栅噪声系数，c为这两种噪声之间的相关系数(它们的取值由工艺决定)，ω0是谐振频率，υsat、εsat分别表示电子的饱和速度及速度饱和时的电场强度，Rs为50Ω信号源阻抗，PD为电路功耗，Po为输出功率，Vdd为电源电压，Vod为输出电压的大小。

　　由Charter公司0.25μmCMOS RF。工艺可以确定M1可取的沟道长度L≌0.241μm，电子饱和速度υsat=76090m／s，电子的有效迁移率μeff=0.03932m2／(υs)，速度饱和电场强度为

噪声系数F与M1尺寸选取有着以下密切关系：


　　式中，QL为输人谐振同路的品质因子，Cgs为MOS管栅源之间的电容，Cpx为MOS管栅氧化层电容密度。由公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)可得：

　　对于每一个功耗值，都对应一个的Ql,opt值，使该功耗下的噪声系数，。应用Matlab数学软件分析得到在15mW的功耗限制下取得噪声时的QL,opt为9.2。代人下式可汁算出M1的沟道宽度为：

　　本设计中M2的沟道宽度和长度同M1一致，也取为Wm2≌160μm，L≌0.24μm。

1.2 阻抗匹配[6]

低噪声放大器的输入阻抗可写为：

　　MOS管的沟道宽度和长度确定后，可以对放人器进行直流静态工作点分析，确定M1管的直流参数：gml=4．93×10-2A／V，cgsl=2.30×10-13F，Cgdl=O.71×10-13F。根据(11)和(12)式可计算出：Lt≈0.275nH，Lg1+Lg2≈18.86nH。在后面的电路仿真中，对器件参数做了微调，终取Ls=0.43nH，Lg1=Lg2=8.89nH，这与理论计算非常接近。Lt与M2漏极的等效电容谐振在2.4GHz下，M2漏极的等效电容可由直流静态工作点仿真分析得到：Cdd2=0.76x10-13F，从而可算出Lt≈6nH。为了与50Ω的输出负载电阻匹配，由输出阻抗的Smith圆图可确定cb2=o.7pF，CL=O.6pF。

1.3 电压增益

　　LNA的电压增益主要由输入级的总跨导和输出端的负载决定[7-8]。图2所示的是LNA基本电路的小信号等效电路(这里忽略了，沟道调制效应的影响)。其中兄RS为信号源内阻，Rl=ωTLs是LNA输入阻抗的实部，R2≈Q′Lω0Lt是输出阻抗的实部，Q′L为电感Lt的品质因子，ωT是M1的截止频率。当输入、输出回路谐振在工作频率ωo时，由图2可得到输入回路的总跨导为：

　　M1的小信号电流glmlVin一部分流过M2，另一部分流过M1漏极的等效电容Cl(C1=Cdb1+Csb2)。流过M2的电流为：

当输出端电感Lt与M2的漏极总电容C2谐振在工作频率时，则电压增益为：

　　因此，增大晶体管的跨导和电感的Q′L值能有效地提高增益。另外，源极负反馈电感Ls的取值对增益也有影响。一般可以采用增大静态电流和晶体管尺寸的方法增大跨导，但应考虑电路功耗的限制。本文设计的LNA采用的电感均为CMOS工艺的片内螺旋电感，Q′L值都不高，所以应选用Q′L值高的螺旋电感以提高增益。

2 模拟结果

　　电路中所有元件取自Chater公司0.25μmCMOS RF工艺库，并全部集成在芯片内部。使用Cadence的Spec-tre进行了模拟分析。LNA的S参数如图3所示，由图可知，模拟显示该放大器的功耗为16mW，正向增益S21在2.4GHz频率时值为15dB，反射系数S11小于-23dB，S22小于-20dB。由此说明低噪声放大器实现了与输入、输出端口的良好匹配，并能取得较大的增益。噪声系数的频率响应如图4所示，NF在2.4GHz处取得值2.7dB。对线性度进行了模拟，LNA的1dB压缩点如图5所示，1dB压缩点为-10.5dBm。表1列出了低噪声放大器的模拟结果。

　　本文详细介绍了功耗限制条件下噪声化的低噪声放大器的设计方法，并采用0.251μmCMOS RF工艺设计了一种2.4GHz低噪声放大器。模拟结果表明，采用2.5V电源时，功耗为16mW，在2.4GHz工作频率下，正向增益S21可达15dB，反射参数S11小于-23dB，S22小于-20dB，噪声系数NF为2.7dB。

  

参考文献:

[1]. Lg1 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Lg1_2397733.html.
[2]. Cgs datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Cgs_2328119.html.
[3]. S11 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/S11_1617658.html.