射频低噪声放大器 5.2GHz,0.18μm,CMOS,射频低噪声放大器的设计

　　摘要:采用TSMC 0.18μm CMOS工艺,设计应用于IEEE 802.11a的无线局域网络的低噪声放大器(LNA)。整个电路采用1.8 V单电源供电,输入输出匹配良好。用ADS模拟软件对电路进行分析优化,结果表明:在中心频率5.2 GHz处,噪声系数为2.51 dB,功率增益为17.373 dB。
　　关键词:CMOS工艺;低噪声放大器;噪声系数;ADS
　　中图分类号:TN722.7 文献标识码:A
　　
　　Design of 5.2GHz 0.18μm CMOS RF LNA
　　
　　ZHOU Sheng-hua1, YE you-xiang, LI hai-hua
　　( College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;)
　　
　　Abstract: A 5.2 GHz LNA for 802.11a wireless communication system was realized by using TSMC 0.18μm CMOS technology. The whole voltage is 1.8 V, the input and output impedance matched well. Simulation and analysis using ADS simulator show that the amplifier has the Noise figure (NF) of 2.51 dB and the gain of 17.373 dB at 5.2 GHz.
　　Keywords: CMOS technology; Low noise amplifier; Noise figure; Advanced Design System
　　
　　1引言
　　
　　随着无线通信技术的不断发展,系统要求更高的集成度,更强的功能以及更低的功耗。低噪声放大器(LNA)是无线通信射频接收电路中的第一个有源电路。主要功能是将来自天线的微伏级的电压信号进行小信号放大后传输到下一级电路。因此,LNA的特性对射频接收系统的性能起着决定作用。
　　随着微电子技术的不断发展,MOS器件特征尺寸的不断减小,硅基CMOS工艺已经达到0.1μm以下,MOS器件的高频特性也因此得以改善,截止工作频率已经达到200 GHz以上[1],利用CMOS工艺实现GHz频段的高频模拟电路的技术亦得到广泛应用[2-3]。实现复杂无线通信系统单片集成的第一步是利用现有的CMOS工艺实现GHz的低噪声放大器。为了满足系统要求,对LNA有以下要求[4]:(1)较高的线性度以抑制干扰和防止灵敏度下降;(2)足够高的增益,使其可以抑制后续级模块的噪声;(3)与输入输出阻抗的匹配,通常为50Ω;(4)尽可能低的功耗,这是无线通信设备的发展趋势所要求的。在实际设计中,这些性能指标会相互牵制、影响甚至矛盾;因此在进行LNA设计时,如何采用折衷原则兼顾各项指标是尤为重要的[5]。
　　本文采用TSMC 0.18μm CMOS工艺设计了应用于802.11a无线局域网(WLAN)射频接收机中工作于5.2 GHz的低噪声放大器(LNA),通过参数优化,得到了较好仿真效果,具有实用价值。
　　
　　2CMOS LNA 的设计
　　
　　常用LNA主要有两种结构形式,即共栅结构和共源共栅结构。共栅放大器输入阻抗匹配容易实现,具有较好的反相隔离度和稳定性,但噪声系数较大;本次设计偏置电路采用电流镜偏置、源级负反馈结构完成输入匹配,放大电路采用用共源共栅结构,通过减小密勒效应,提高反向隔离度,由于电感本身不像电阻引入热噪声,采用源极电感负反馈,能大大提高系统噪声性能。为了得到最大功率传输及不在电路中产生反射,要求放大器的输入阻抗与天线或滤波器输出阻抗匹配,通常为50Ω。
　　源极负反馈结构的设计目标是实现输入匹配和低噪声系数,一般情况下不能提供所需的足够增益,此外,由于MOS管栅漏寄生电容存在,会在输入输出端引起反馈,致使噪声性能和稳定性能恶化。为此采用两级结构,即在主放大管M1与输出级之间加入一共栅连接MOS管。
　　实际设计的LNA拓扑结构如图1所示,M1产生与输入电压成正比的漏电流,共栅方式连接的M2管为M1提供反向隔离,减小输出端到输入端的反馈,同时减少M1的影响,增加电路的稳定性。M1与M3构成电流镜,M3管及电阻R1、R2偏置放大电路工作点,流过M3的电流由电源电压和R2以及M3的Vgs共同决定,为减小偏置电路的噪声电流,电阻R1应选择足够大。为防止输入信号中直流分量影响放大器的直流工作点,在输入端和M1栅极间放置了一隔离电容C1,选择适当值,其电抗值对信号频率影响可忽略不计。第二级放大器主要起输出阻抗匹配作用,选择合适输出级负载Co、Lo能起到选频和提高增益的作用,并通过阻抗变换实现与输出端口之间的阻抗匹配。
　　 共源结构电路小信号模型如图2。
　　 电路输入阻抗可写为[6]:
　　 Z■=■L■+jω(L■+L■)+■ (1)
　　 输入电路谐振时,
　　 jω(L■+L■)+■=0(2)
　　 Z■=■L■(3)
　　在一定的偏置和器件尺寸条件下,选取适当的Ls使得输入阻抗等于50Ω,从而实现阻抗匹配。
　　放大器的噪声主要包括外界引入的噪声和放大器的内部噪声,其内部噪声主要由电阻等有耗元件和有源器件产生的热噪声。通常,沟道热噪声表示为[7]:
　　 ■ =4kTg■γ・Δf
　　k是玻尔兹曼常数,T是器件工作温度,gd0是MOS管零偏时的漏极电导,γ是体效应系数,对于长沟道一般为2/3～1,对短沟道一般取2～3,△f为噪声带宽。栅极感应噪声电流可表示为:
　　 ■ =4kTg■δ・Δf
　　其中
　　g■=■
　　是栅极噪声系数,在长沟道条件下为4/3。
　　一个系统的噪声系数NF定义为:
　　 F=■
　　利用二端口噪声理论,在功率受限条件下存在最佳栅宽[7]:
　　W■=■(4)
　　使F最小,
　　 F■=1+2.4■■(5)
　　其中,ω是LNA工作频率;L是放大管的栅长;C0x是栅氧化层单位面积电容;Rs是信号源内阻(典型值为50Ω);QsP为输入谐振回路的品质因素,通常在3.5～5.5之间;对于短沟道器件,晶体管处于饱和区γ通常在2～4之间;α=gm/gd 0,通常取0.8～0.9,这里我们取0.85;截止频率ω■=gm /(Cgs +Cgd)。
　　设计电路元件参数时,首先由公式(4)计算出最佳栅宽;确定了器件尺寸后,对电路进行静态分析得出gm及Cgs,继而由(2)(3)两式计算出Lg和Ls,同时便得到F的理论值。最后设计偏置电路:根据gm可推导出ID,进而求出R2的值。最后验证各指标,反复优化各元件参数。为了较好地实现电路性能,在实际设计电路时,通常要在噪声、增益、线性度及功耗等指标之间折衷考虑[7]。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　稳定性也是LNA的一个重要性能指标,常采用稳定因子k来描述[8]
　　当K>1且|△| 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文