隨著衛星通信

、調tiao頻pin技ji術shu等deng相xiang關guan技ji術shu的de發fa展zhan，對dui射she頻pin前qian端duan特te別bie是shi低di噪zao聲sheng放fang大da器qi的de工gong作zuo頻pin帶dai提ti出chu了le更geng高gao的de要yao求qiu，傳chuan統tong的de窄zhai帶dai低di噪zao聲sheng放fang大da器qi越yue來lai越yue受shou到dao限xian製zhi。低di噪zao聲sheng放fang大da器qi位wei於yu射she頻pin的de最zui前qian端duan，根gen據ju通tong道dao噪zao聲sheng係xi數shu的de理li論lun
，低di噪zao聲sheng放fang大da器qi的de增zeng益yi和he噪zao聲sheng係xi數shu對dui整zheng個ge射she頻pin通tong道dao的de噪zao聲sheng係xi數shu起qi著zhe及ji其qi重zhong要yao的de作zuo用yong。基ji於yuCMOS 工(gong)藝(yi)的(de)低(di)噪(zao)聲(sheng)放(fang)大(da)器(qi)經(jing)過(guo)多(duo)年(nian)的(de)發(fa)展(zhan)
，其(qi)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)及(ji)增(zeng)益(yi)都(dou)已(yi)經(jing)達(da)到(dao)了(le)很(hen)高(gao)的(de)水(shui)平(ping)
，但(dan)是(shi)其(qi)大(da)多(duo)需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)無(wu)源(yuan)電(dian)感(gan)器(qi)件(jian)來(lai)實(shi)現(xian)。眾(zhong)所(suo)周(zhou)知(zhi)，基(ji)於(yu)CMOS 工藝的電感不僅占用較大的芯片麵積，而且其品質因數性能也通常不會超過10。同時在一些大規模應用的場合，在管芯的鍵合、封裝時由於鍵合線的長度不可控、寄生電容不同等原因，傳統的片外匹配電路通常會發生較大的變化，電路性能受到較大的影響。

 

本文設計一種集成度高
、匹配方便的寬帶低噪聲放大器，而基於寬帶匹配的pH 甚至fH 級的電感在現有的集成電路製造及鍵合水平下將是很嚴重的瓶頸問題。而且運用較多的電感、電容也是其目前不能大規模應用的重要原因，所以研究基於CMOS工藝的無電感型寬帶低噪聲放大器具有重 要的學術價值和應用價值。

 

 

低(di)噪(zao)聲(sheng)放(fang)大(da)器(qi)是(shi)無(wu)線(xian)接(jie)收(shou)係(xi)統(tong)中(zhong)第(di)一(yi)個(ge)模(mo)塊(kuai)，影(ying)響(xiang)著(zhe)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)噪(zao)聲(sheng)性(xing)能(neng)和(he)靈(ling)敏(min)度(du)等(deng)參(can)數(shu)。隨(sui)著(zhe)超(chao)寬(kuan)帶(dai)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，寬(kuan)帶(dai)低(di)噪(zao)聲(sheng)放(fang)大(da)器(qi)設(she)計(ji)已(yi)成(cheng)為(wei)當(dang)前(qian)設(she)計(ji)的(de)一(yi)個(ge)熱(re)點(dian)。根(gen)據(ju)目(mu)前(qian)國(guo)內(nei)外(wai)發(fa)表(biao)的(de)相(xiang)關(guan)文(wen)獻(xian)，當(dang)前(qian)寬(kuan)帶(dai)低(di)噪(zao)聲(sheng)放(fang)大(da)器(qi)的(de)結(jie)構(gou)大(da)致(zhi)有(you)帶(dai)通(tong)濾(lv)波(bo)網(wang)絡(luo)匹(pi)配(pei)和(he)電(dian)阻(zu)負(fu)反(fan)饋(kui)2 種結構。

 

帶通濾波網絡匹配結構主要是基於傳統的源級負反饋結構的低噪聲放大器
，在輸入端口處采用帶通濾波器來實現寬帶乃至超寬帶匹配來實現輸入S canshudepipei。zaidizaoshengfangdaqidianlushejishi，cijiegoushizhaidaidizaoshengfangdaqishejizhongtigongzukanghezaoshengtongshipipeidejingdianjishu。yinci
，yaozaikuandaineihuodelianghaodeshurupipeijipingtandezengyi
，jiubixuzaishuruduanjiarujiaogaojieshudeLC帶通濾波器以展寬低噪聲放大器的工作頻帶。由於該匹配網絡為同頻帶的帶通濾波器，通常需要2 階乃至3 階的帶通濾波器

，這就意味著需要在芯片內部需要多個電感，這就會導致 芯(xin)片(pian)麵(mian)積(ji)較(jiao)大(da)。同(tong)時(shi)
，為(wei)了(le)達(da)到(dao)輸(shu)入(ru)匹(pi)配(pei)，該(gai)結(jie)構(gou)引(yin)入(ru)了(le)源(yuan)級(ji)負(fu)反(fan)饋(kui)電(dian)感(gan)，電(dian)感(gan)值(zhi)通(tong)常(chang)較(jiao)少(shao)，封(feng)裝(zhuang)參(can)數(shu)將(jiang)會(hui)對(dui)源(yuan)級(ji)負(fu)反(fan)饋(kui)電(dian)感(gan)造(zao)成(cheng)很(hen)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)。該(gai)源(yuan)級(ji)負(fu)反(fan)饋(kui)電(dian)感(gan)一(yi)般(ban)取(qu)值(zhi)較(jiao)小(xiao)，在(zai)片(pian)實(shi)現(xian)時(shi)很(hen)難(nan)保(bao)證(zheng)精(jing)度(du)，從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)輸(shu)入(ru)端(duan)的(de)匹(pi)配(pei)。

 

電阻負反饋型低噪聲放大器由於其占用麵積小
、噪zao聲sheng係xi數shu低di以yi及ji良liang好hao的de線xian性xing度du性xing能neng等deng特te點dian，在zai無wu電dian感gan型xing寬kuan帶dai低di噪zao聲sheng放fang大da器qi的de設she計ji中zhong存cun在zai較jiao大da的de優you勢shi。電dian阻zu負fu反fan饋kui型xing低di噪zao聲sheng放fang大da器qi可ke以yi提ti供gong良liang好hao的de寬kuan帶dai匹pi配pei和he平ping坦tan的de增zeng益yi。但dan是shi其qi負fu反fan饋kui會hui導dao致zhi噪zao聲sheng性xing能neng的de惡e化hua和he最zui大da可ke用yong增zeng益yi的de降jiang低di
，電dian阻zu負fu反fan饋kui型xing低di噪zao聲sheng放fang大da器qi原yuan理li圖tu如ru圖tu1 所示。

圖1 電阻負反饋型低噪聲放大器原理

 

在電阻負反饋型低噪聲放大器中，輸入阻抗由反饋電阻和反饋放大器的閉環增益的比值決定。反饋電阻Rf的值通常遠大於源阻抗Rs。因此，為了匹配低的源噪聲電阻( 典型值為50 Ω) ，反fan饋kui電dian阻zu一yi般ban在zai幾ji百bai歐ou姆mu的de量liang級ji，這zhe一yi點dian也ye加jia重zhong了le噪zao聲sheng指zhi數shu的de升sheng高gao。在zai電dian阻zu負fu反fan饋kui的de低di噪zao聲sheng放fang大da器qi中zhong，反fan饋kui電dian阻zu直zhi接jie與yu輸shu出chu相xiang連lian，需xu要yao在zai噪zao聲sheng係xi數shu與yu輸shu入ru阻zu抗kang匹pi配pei直zhi接jie做zuo出chu一yi些xie折zhe中zhong，通tong常chang在zai反fan饋kui電dian阻zu與yu輸shu出chu端duan口kou之zhi間jian增zeng加jia緩huan衝chong電dian路lu來lai減jian少shao它ta們men之zhi間jian的de影ying響xiang，其qi電dian路lu原yuan理li如ru圖tu2 和圖3 所示。

圖3 改進的負反饋型寬帶低噪聲放大器

 

M2、M3 共gong同tong組zu成cheng源yuan跟gen隨sui電dian路lu，起qi著zhe隔ge離li輸shu入ru輸shu出chu端duan口kou，減jian小xiao反fan饋kui電dian阻zu與yu輸shu出chu電dian路lu的de作zuo用yong，同tong時shi該gai源yuan跟gen隨sui器qi還hai起qi著zhe增zeng大da輸shu出chu驅qu動dong能neng力li的de作zuo用yong
，其qi輸shu出chu電dian阻zu為wei1 /gm2。合理地調節M2 的寬長比及偏置電流，可以使其輸出阻抗匹配至50 Ω。

 

本文設計的低噪聲放大器的完整電路結構如圖3所示。該電路為單端結構
，共有2 級。其中，M1、RL構成了第1 級的放大電路; M2、M3 為源級跟隨器，為寬帶低噪聲放大器的第2 級，2級電路之間通過電容進行耦合，Vbias為第2 級電路的偏置電壓
，Rf為反饋電阻，主要起著調整輸入電阻作用，同時它和M1 也在很大程度上影響著噪聲係數，因此
，在電路設計中需要對其阻值進行折中。合理調整反饋電阻Rf及M1 管的寬長比
，便可實現良好的輸入匹配。M1 柵極的噪聲經過主放大電路進行放大，在M1 的漏端的噪聲電壓與器相位相反，該噪聲電壓經過源級跟隨電路後相位與之前相同，即與M1 的柵極噪聲電壓極性相反
，經過反饋電阻後在M1 的柵極處形成噪聲抵消，合理調節共源放大電路與源級跟隨電路的增益可以使得主放大電路M1 管的溝道熱噪聲完全抵消。

圖3 改進的負反饋型寬帶低噪聲放大器

 

 

① 在工作頻段範圍內實現1 ～ 3 GHz 寬帶匹配
，使其S11＜－15 dB;

 

② 帶內增益＞14 dB;

 

③ M1 的溝道熱噪聲被反饋電路降低，在寬頻帶範圍內實現噪聲係數NF＜3． 6 dB。通過分析小信號模型和噪聲係數，得到該結構的輸入阻抗為:

式中，Qsp的值為3． 5 ～ 5． 5
，在該範圍內噪聲的影響很小，Qsp取最佳值4． 5 時，噪聲可表示為:

當上麵2 個條件同時滿足時，低噪聲放大器絕對穩定; 如果這2 個條件不能同時滿足，低噪聲放大器會存在潛在的不穩定和振蕩，本文所設計的寬帶低噪聲放大器的版圖如圖4 所示。

圖4 寬帶低噪聲放大器的整體版

 

在對電阻負反饋型寬帶低噪聲放大器電路分析與設計的基礎上，基於SMIC 0． 18 μm RFCMOS 工藝進行設計，在Cadence Virtuoso 平台上對電路原理圖進行設計
，並對噪聲係數
、S11、S21等參數進行了優化設計
，仿真優化後得到的LNA 的S 參數、噪聲係數的仿真結果如圖5
、圖6 和圖7 所示，電阻反饋型低噪聲放大器在工作頻帶範圍內提供了較平坦的高增益，在1 ～ 3 GHz 的頻帶，相應的仿真結果為: S11 ＜－15 dB，增益＞14 dB
，並在在整個頻帶範圍內的平坦度較好，增益波動＜2． 6 dB
，噪聲係數＜3． 6 dB。

圖5 寬帶匹配的S11參數

圖6 寬帶低噪聲放大器的帶內增益

圖7 寬帶低噪聲放大器的噪聲係數

 

本文設計的寬帶低噪聲放大器與已經發表文獻中的寬帶低噪聲放大器的性能比較如表1 所示，這些文獻均采用0． 18 μm 工藝進行設計
，具有一定的比較意義。通過表1 keyikanchu
，benshejizhonggexiangcanshudoudadaolejiaohaodexingnengzhibiao，bimianlechuantongjichengdianlushejizhongxuyaocaiyongdiangandequedian
，erdiangantongchangzaidianlushejizhongzhanyongfeichangdademianji，benwenshejidekuandaidizaoshengfangdaqishenglvelechuantongdizaoshengfangdaqishejizhongdediangan，zhejiangzaihendachengdushangjianshaoxinpiandemianji; 更為重要的是該芯片依靠自身的MOS 管(guan)和(he)比(bi)例(li)電(dian)阻(zu)實(shi)現(xian)了(le)內(nei)匹(pi)配(pei)
，避(bi)免(mian)了(le)大(da)批(pi)量(liang)應(ying)用(yong)時(shi)由(you)於(yu)芯(xin)片(pian)內(nei)部(bu)參(can)數(shu)受(shou)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)影(ying)響(xiang)而(er)造(zao)成(cheng)的(de)外(wai)圍(wei)匹(pi)配(pei)電(dian)路(lu)的(de)更(geng)改(gai)
，簡(jian)化(hua)了(le)芯(xin)片(pian)的(de)應(ying)用(yong)，在(zai)實(shi)際(ji)的(de)工(gong)程(cheng)應(ying)用(yong)中(zhong)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)的(de)意(yi)義(yi)。