CMOS射頻集成電路設(shè)計-CMOS低噪聲射頻放大器

CMOS低噪聲射頻放大器5.1概述5.2低噪聲放大器網(wǎng)絡(luò)的噪聲分析5.3CMOS低噪聲放大器的基本電路結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)5.4TH-UWB低噪聲放大器設(shè)計實(shí)例5.5

本章小結(jié)習(xí)題

5.1概述

目前,基于不同的集成電路工藝,低噪聲放大器采用的工藝技術(shù)有GaAsPHEMT、MESFET、HBT以及CMOS技術(shù)等。低噪聲放大器(LNA)在無線接收機(jī)中起著關(guān)鍵作用,在接收路徑中作為接收天線后接的第一級,其噪聲指數(shù)(NF)是一個重要參數(shù),這是因?yàn)樗脑肼曋苯蛹釉谡麄€系統(tǒng)的總噪聲中。另外,一般希望LNA具有高增益及好的線性度和穩(wěn)定性。

本章將介紹一種全集成的超寬帶CMOS低噪聲放大器。該低噪聲放大器利用管聯(lián)(cascode)結(jié)構(gòu)和RC反饋網(wǎng)絡(luò):采用兩個單級管聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)從單級輸入到差分輸出的轉(zhuǎn)換;利用一個RC反饋網(wǎng)絡(luò),即一個反饋源極電感和柵極電感來實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配和噪聲匹配。設(shè)計的UWBLNA采用標(biāo)準(zhǔn)0.18μmRFCMOS工藝。

5.2低噪聲放大器網(wǎng)絡(luò)的噪聲分析

噪聲性能是低噪聲放大器的非常重要的指標(biāo)。本節(jié)將從二端口網(wǎng)絡(luò)入手分析噪聲性能,然后針對構(gòu)建CMOS低噪聲放大器的MOS晶體管的二端口網(wǎng)絡(luò)噪聲參數(shù)進(jìn)行理論分析。

5.2.1二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲分析

1.噪聲因子

二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲分析可以將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的各個噪聲源及其電路看成一個有噪網(wǎng)絡(luò),然后將其用一個無噪網(wǎng)絡(luò)和一個等效的串聯(lián)噪聲電壓源和一個并聯(lián)的噪聲電流源進(jìn)行等效。二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能通常用噪聲因子或噪聲系數(shù)來描述。噪聲因子被定義為

下面介紹輸入端噪聲電壓源與噪聲電流源在網(wǎng)絡(luò)輸出端的噪聲功率計算。

假設(shè)噪聲電流源包含兩個部分:一部分與噪聲電壓源無關(guān),另一部分與噪聲電壓源相關(guān)。令

式中,噪聲電流ic

與噪聲電壓un完全相關(guān),其相關(guān)系數(shù)為Yc(又稱為相關(guān)導(dǎo)納),則有

而式(5.2.2)中,iu

與噪聲電壓un

完全不相關(guān)。

又

根據(jù)噪聲因子的定義,可寫出噪聲系數(shù)的表達(dá)式為

聯(lián)立式(5.2.2)~式(5.2.5),解得噪聲因子為

從式(5.2.6)可以看出,它含有三個獨(dú)立的噪聲源,可將它們進(jìn)行如下熱電阻噪聲等效:

式中,k為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度;Δf為電路帶寬。令

將式(5.2.9)~式(5.2.11)代入式(5.2.6),可得噪聲因子:

由式(5.2.12)可以看出,二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)由四個噪聲參數(shù)Gu、Gc、Bc和Rn

確定。同時還可以看出,噪聲系數(shù)F與輸入信號源的導(dǎo)納有關(guān),通過選擇合適的輸入信號源的導(dǎo)納可以優(yōu)化噪聲系數(shù),使F最小。

2.最小噪聲系數(shù)

針對式(5.2.12),令

即有

然后對F求關(guān)于Gs的偏導(dǎo)數(shù),以得到極值點(diǎn):

解得

將式(5.2.14)和式(5.2.16)代入式(5.2.12),可以求出最小噪聲系數(shù)為

可以證明包含最小噪聲系數(shù)項(xiàng)的一般噪聲系數(shù)表示式為

由式(5.2.18)可知,二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)由Fmin、Rn、Gopt和Bopt等參數(shù)確定。

5.2.2MOS晶體管最小噪聲系數(shù)的計算

1.MOS晶體管噪聲分析

盡管在第2章已經(jīng)簡單介紹了一些關(guān)于MOS晶體管的噪聲模型,但為本章分析的連續(xù)性,現(xiàn)針對MOS晶體管的噪聲進(jìn)行更具體分析。

1)MOS漏極電流噪聲

由于場效應(yīng)晶體管是電壓控制器件,本質(zhì)上是電壓控制電阻,所以存在熱噪聲。有關(guān)研究表明,場效應(yīng)管的漏極電流噪聲的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中,gd0是UDS為零時的漏源電導(dǎo);γ在UDS為零時的值為1,在長溝道器件中飽和時的值為2/3。

2)MOS柵噪聲

柵噪聲是除漏極電流噪聲以外的由于溝道電荷的熱激勵造成的噪聲。有關(guān)研究(VanderZiel)證明,柵噪聲可以表示為

式中,

長溝道MOS管中的δ值為4/3

柵噪聲的電路模型有兩種形式,分別如圖5-1和圖5-2所示。

圖5-1柵噪聲電路模型(根據(jù)VanderZiel)圖5-2另一種形式的柵噪聲電路模型

3)MOS閃爍噪聲

MOS晶體管的1/f噪聲功率用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為

式中,A是柵的面積(等于WL);K為與具體器件有關(guān)的系數(shù)。

2.MOS晶體管最小噪聲系數(shù)的計算

柵噪聲與漏噪聲是有相關(guān)性的,其相關(guān)系數(shù)定義為

為了方便推導(dǎo)4個等效二端口網(wǎng)絡(luò)噪聲參數(shù),先列寫公式:

由于

所以有

為了方便計算其他噪聲參數(shù),在此將式(5.2.20)所示的柵電流噪聲展開成兩項(xiàng),即

由于等效輸入噪聲電流包括兩部分:一部分是漏端溝道電流熱噪聲等效到輸入端的電流噪聲(在輸入端開路下,將漏極電流噪聲除以跨導(dǎo)得到等效輸入電壓,再將這個電壓乘以輸入導(dǎo)納就得到等效輸入電流噪聲值in1。注:輸入導(dǎo)納為jωCgs);另一部分是因晶體管非準(zhǔn)靜態(tài)效應(yīng)引入的柵噪聲,因此等效輸入電流噪聲為

而

又

于是,MOS晶體管的二端口網(wǎng)絡(luò)噪聲參數(shù)為

5.3CMOS低噪聲放大器的基本電路結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)

5.3.1CMOS低噪聲放大器的幾種電路結(jié)構(gòu)

1.輸入端并聯(lián)電阻的共源放大器

輸入端并聯(lián)電阻的共源放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖5-3所示。該放大器的輸入阻抗為圖5-3輸入端并聯(lián)電阻的LNA

當(dāng)Cgs較小時,輸入阻抗約為RP。令Rs=RP,可以實(shí)現(xiàn)輸入端阻抗匹配。若Rs=RP,則該放大器在低頻下的噪聲系數(shù)為

式中,α=gm/gd0。若電路中沒有并聯(lián)電阻RP,則噪聲系數(shù)變?yōu)?/p>

2.電壓并聯(lián)負(fù)反饋共源放大器

電壓并聯(lián)負(fù)反饋共源放大器如圖5-4所示。這種電路與輸入端并聯(lián)電阻的共源放大器一樣,可以提供寬帶實(shí)數(shù)輸入阻抗。但因?yàn)樗诜糯笃髦皼]有含噪聲的衰減器造成的信號減小,因此其噪聲系數(shù)比輸入端并聯(lián)電阻的噪聲系數(shù)小得多。圖5-4電壓并聯(lián)負(fù)反饋的共源放大器

在分布電容Cgs很小時,可以求得放大器的輸入電阻和輸出電阻分別為

若Rs=RL=R0,則輸入與輸出同時匹配。

3.共柵放大器

共柵放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖5-5所示。這種電路可以實(shí)現(xiàn)電阻性輸入阻抗,因?yàn)閺男盘栐聪蚍糯笃骺催M(jìn)去的電阻為1/gm,所以適當(dāng)選擇晶體管的尺寸和偏置電流能夠提供所需要的電阻匹配。圖5-5-共柵放大器

4.帶源極電感負(fù)反饋的共源放大器

圖5-6源極電感負(fù)反饋的共源放大器帶源極電感負(fù)反饋的共源放大器如圖5-6所示。圖中,電感Ls的參數(shù)選取可提供合適的輸入電阻?？紤]到輸入阻抗只是在諧振時為純電阻,因此需要一個柵極電感Lg來提供具有附加自由度的參量,以保證輸入阻抗的適當(dāng)調(diào)整。圖5-6源極電感負(fù)反饋的共源放大器

式中,Q為輸入電路的Q值;ωT為晶體管的特征角頻率;ω0為諧振時的角頻率。如果忽略分布參數(shù)Cgd、gmb和Csb,則還可以得到電路的輸入阻抗為

文獻(xiàn)中給出該電路結(jié)構(gòu)的簡化噪聲系數(shù)表達(dá)式為

5.3.2CMOS低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)

1)增益(S21)

低噪聲放大器的增益通常用S參數(shù)S21來描述。增益的大小取決于系統(tǒng)要求,較大的增益可減小低噪聲放大器后級電路噪聲對接收機(jī)產(chǎn)生的影響。但也不能要求增益太大,否則會引起線性度指標(biāo)惡化。綜合考慮,一般要求增益在25dB以下。

2)帶寬

對于窄帶的低噪聲放大器來說,其帶寬要求容易實(shí)現(xiàn),但對于一個寬帶低噪聲放大器來說,要保證一定的頻帶要求,需要通過擴(kuò)展帶寬的方式來實(shí)現(xiàn)。至于帶寬的指標(biāo),則取決于系統(tǒng)要求。

3)噪聲系數(shù)(F)

噪聲系數(shù)(或噪聲因子)是低噪聲放大器的一個重要指標(biāo),其大小取決于系統(tǒng)要求。噪聲系數(shù)與放大器的工作頻率、靜態(tài)工作點(diǎn)以及制造工藝等有關(guān)系。

4)線性度(IP3,P1dB)

線性度包括輸入及輸出三階截點(diǎn)(IIP3和OIP3)和輸入/輸出1dB壓縮點(diǎn)(IP1dB/OP1dB)等指標(biāo)。

5)阻抗匹配(S11,S22)

低噪聲放大器的阻抗匹配包括輸入阻抗匹配和輸出阻抗匹配,分別用S參數(shù)的S11和S22表示。

6)反向隔離(S12)

反向隔離反映了低噪聲放大器輸出端與輸入端之間的隔離度。用S參數(shù)的S12表示。

5.4TH-UWB低噪聲放大器設(shè)計實(shí)例

5.4.1近年來關(guān)于UWBLNA的研究現(xiàn)狀近年來有文獻(xiàn)報道通過電阻反饋和匹配濾波器[14,15]獲得寬的頻帶而平坦的增益。分布式放大器用來在UWB通信中實(shí)現(xiàn)低功耗工作。關(guān)于UWB應(yīng)用的差分CMOSLNA也有介紹。在這些文獻(xiàn)中,帶有管聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LNA介紹較多,原因是這種結(jié)構(gòu)在增益和噪聲控制方面有更好的性能。

5.4.2UWBLNA的電路設(shè)計

本章提出的LNA采用兩級管聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其原理圖如圖5-7所示。圖5-7UWBLNA的原理圖

5.4.3寬帶輸入阻抗匹配與噪聲匹配

1.寬帶輸入阻抗匹配

在管聯(lián)LNA設(shè)計中,由于低噪聲放大器的噪聲系數(shù)和線性度受到V2和V3的柵寬以及共源晶體管的Ugs的直接影響,所以共源級是高性能LNA的最關(guān)鍵部分。MOS管V2支配噪聲性能,而MOS管V3由于高輸出阻抗而對線性性能以及改善反向隔離有重要作用。這兩個MOS場效應(yīng)管之間的相互影響較小。

若不考慮由R和C構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò),并假設(shè)圖5-7中的V和V有相同的尺寸,則電路的輸入阻抗可以表示為

式中,ωT=gm/Cgs,通過改變負(fù)反饋電感的值來進(jìn)行阻抗匹配。典型的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)由源極反饋電感Ls和柵極電感Lg組成。

2.噪聲優(yōu)化與匹配

低噪聲放大器設(shè)計的一個最關(guān)鍵的步驟之一是噪聲優(yōu)化。在任意偏置和任意頻率條件下,源阻抗Zs被用來優(yōu)化噪聲系數(shù)。圖5-7中的電感Ls經(jīng)過優(yōu)化也可以提高噪聲性能。通常,噪聲系數(shù)F可以被表示為

5.4.4平衡輸出的實(shí)現(xiàn)

有些文獻(xiàn)報道過一些低噪聲放大器:單端輸入單端輸出,或具有差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的平衡輸入和平衡輸出。但在某些場合,需要使用具有單端輸入和差分(平衡)輸出結(jié)構(gòu)。本書在單級管聯(lián)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,再利用另一個管聯(lián)級來實(shí)現(xiàn)單端輸入和平衡輸出的功能。對于圖5-7中的第一級管聯(lián)結(jié)構(gòu),如果MOS管V-和V-有相同的尺寸,即g-r-=g-r-,那么有u-≈-u-?；谶@一特性,第二級管聯(lián)結(jié)構(gòu)特別設(shè)計成第二個信號輸出級。圖5-7中的輸出1和輸出2可以提供一組幅度幾乎相同而相位相反的差分輸出信號。

5.4.5-電路仿真

本節(jié)介紹具有管聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)的3~5GHz雙單級低噪聲放大器的仿真結(jié)果。所設(shè)計的電路通過CadenceSpectreRF工具和0.18μmRFCMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行仿真。第一級管聯(lián)低噪聲放大器實(shí)現(xiàn)最大功率增益(輸出1的S21,在3GHz處為13.58dB)和最小功率增益(在5GHz處為11.83dB),如圖5-8所示。第二級管聯(lián)反饋低噪聲放大器在4GHz處有最大功率增益(輸出2的S31,為11.50dB),在5GHz處有最小功率增益(為10.74dB),如圖5-9所示。

圖5-10所示的是仿真的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)。在5GHz處的最大噪聲是3.52dB。在3~5GHz的頻率范圍內(nèi),噪聲系數(shù)介于2.58dB和3.52之間。輸入阻抗匹配S參數(shù)(S11)仿真結(jié)果如圖5-11所示。低噪聲放大器的S11在整個規(guī)定的頻率范圍內(nèi)小于-10dB。

圖5-8仿真的增益特性(輸出1的S21)圖5-9仿真的增益特性(輸出2的S31)圖5-10仿真的噪聲系數(shù)(NF)特性圖5-11仿真的輸入阻抗匹配特性(S11)

5.5

本章小結(jié)

LNA在無線接收機(jī)中起著關(guān)鍵作用,在接收機(jī)路徑中作為接收天線后接的第一級,其噪聲系數(shù)是一個重要參數(shù)。LNA的最小噪聲系數(shù)指獲得最佳噪聲阻抗匹配后的噪聲系數(shù)。也就是說,若不進(jìn)行噪聲阻抗匹配或不是最佳匹配,則無法獲得最小噪聲系數(shù)。本章詳細(xì)推導(dǎo)了最小噪聲系數(shù)的數(shù)學(xué)表示式。

對CMOSLNA來說,有多種電路結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn),帶源極電感負(fù)反饋的管聯(lián)LNA結(jié)構(gòu)是最理想的結(jié)構(gòu)。

CMOSLNA的技術(shù)指標(biāo)包括增益、帶寬、噪聲系數(shù)、線性度、阻抗匹配和反向隔離等。

在本章的TH-UWB通信超寬帶LNA的設(shè)計中,共源LNA的源極負(fù)反饋電感(Ls)用于產(chǎn)生阻抗變換的實(shí)部,以匹配LNA的輸入阻抗,同時在LNA的輸入端,一個柵極電感Lg被采用,以抵消電路中的等效電容。顯然,這種阻抗匹配沒有電阻匹配帶來的功率損耗,因而也減小了噪聲指數(shù)。另外,RC反饋網(wǎng)絡(luò)(Rf1,Cf1,Rf2,Cf2)對于實(shí)現(xiàn)寬帶匹配也有好處。

習(xí)題

5.1簡述管聯(lián)LNA的優(yōu)缺點(diǎn)。5.2簡述實(shí)現(xiàn)噪聲匹配的基本方法。5.3題圖5-1為一個LNA。已知的特征頻率為fT=30GHz,工作頻率為f=3GHz,C