基于噪声消除技术的CMOS超宽带LNA设计
0.13μm CMOS超宽带低噪声放大器的设计
０１ ．３
．
ｍＣ ０ 超宽带低噪声放大器的设计 Ｍ Ｓ
■ 北京理工大学信息科学与技术学院 申华 吕昕
中芯 国际集成电路制造（ 上海） 有限公司 多新 中 杨立吾
ｌ 厂。 摘要
：
Ｉ 流反馈￣４源共栅超宽带 ｔ ． － 低噪声 放大器， 并采用中 际 ０１ ｍ Ｉ 芯国 ． ３
优 化 窄带 放 大 器 ，然 后 通 过适 当选
择 电 阻Ｒ 角定 小 信 号 等 效 输入 电路 的一ｄ ３ Ｂ带 宽 。根 据 带 宽 的值 ， 电 阻
电 阻Ｒ 和 Ｌ ＮＡ输入 阻抗 的 匹 配 。 图
１ｂ所 示 为 整 个 ＬＮＡ输 入 部 分 的 小 （）
波器 的一 部 分 ，实现 较 好 的性 能 并
且 功 耗 较 低 。 但 为 了 降 低 插 入 损 耗 ，滤 波 器 通 常 由 片 外 元 件 实 现 ，
增 加 了Ｐ ＣＢ的 复杂 性 和 成 本 ；其 二 是 电阻 并联 交 流反 馈 式 拓 扑结 构 。 这 种结 构 将 窄 带 低噪 声 放 大器 和 传 统 的 电 阻 并 联 反 馈 式 放 大 器 相 结
以 ， 图 ２ａ 中 反 馈 电 阻 Ｒ 的 主 要 作 （） 用 之 一 是 减 小 输 入 电 路 的 Ｑ值 。 图
带 宽 和 Ｑ值 成 反 比 关 系 ，通 过 适 当
调 节 电阻Ｒ ，窄 带 Ｌ ＮＡ能够 转 换 为
宽 带Ｌ ＮＡ，如 图 ２ａ所 示 。 （） 总之 ，为 设 计 覆 盖 一 定 带 宽 的 宽 带 放 大器 ，首 先 应 在 中心 频率 处
（） 入端 等 效 电路 ｂ输
图 １窄带共源共栅低噪声低噪声放大器
６６ ０８０电子设计 ２０． １ 应用 ｗ ｗａ．ｍ删 ｗ．ｗｏ． ｅ ｃ
lna的原理
lna的原理低噪声放大器（Low-Noise Amplifier，LNA）是无线通信系统中重要的组成部分，其主要作用是对信号进行放大并尽量减小噪声的引入。
LNA被广泛应用于无线电、卫星通信、雷达等各种通信领域。
一、LNA的基本原理LNA的主要目标是在信号放大的同时增加尽量少的噪声。
要实现这一目标，LNA需要具备以下几个基本原理：1. 高增益：LNA需要提供足够的放大系数来放大输入信号，使其达到合适的水平，以便后续电路对信号进行处理。
通常，LNA的增益应能够弥补信号在接收链路中的损耗。
2. 低噪声：噪声是无线通信系统的主要限制因素之一，LNA的设计需要减小在信号放大过程中引入的噪声。
较低的噪声系数可以提高整个通信系统的性能，使得系统能够实现更远的通信距离或更高的数据传输速率。
3. 宽带：LNA需要能够放大一定范围内的信号频率，以满足通信系统在不同频段的工作需求。
同时，在带宽设计上需要尽量避免引入不必要的失真和非线性效应。
4. 高线性度：LNA需要具备较高的线性度，以避免在信号放大过程中引入非线性失真。
在某些高动态范围的应用中，如接收GPS信号，线性度要求尤为严格，以保证接收到的信号准确无误。
二、LNA的工作原理LNA的工作原理主要涉及到放大器的设计和增益调节。
在放大器的设计过程中，可以选用不同的拓扑结构和器件，如晶体管、场效应管等，以满足不同应用场景的需求。
1. 输入匹配：为了最大程度地将信号能量传递到放大器的负载，LNA的输入端需要与前一级电路（如天线）进行匹配。
匹配的目的是使信号源的输出阻抗与放大器的输入阻抗相等，以减小信号的反射损耗。
2. 带通滤波：为了抑制掉带外噪声和干扰信号，LNA通常会通过使用带通滤波器来选择感兴趣的频率范围。
带通滤波可以削弱或消除在放大器输入端引入的干扰信号，提高系统的抗干扰性能。
3. 增益控制：为了使LNA能够适应不同的信号强度和环境变化，可以在LNA中引入增益控制电路。
抗干扰全集成超宽带低噪声放大器的设计
抗干扰全集成超宽带低噪声放大器的设计
高宇飞;雷倩倩;潘诚;刘启航
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2022(30)10
【摘要】设计了一款应用于超宽带协议的具有带外噪声抑制功能的全集成低噪声放大器(LowNoise Amplifier,LNA)。
通过在LNA中集成无源陷波滤波器来抑制5~6 GHz的带外信号,并分析了片上电感的寄生参数对滤波效果的影响;采用并联电阻反馈共源共栅结构和并联补偿技术来实现宽带。
基于SMIC 28 nmCMOS工艺,使用EMX软件对所设计的LNA进行了电磁建模提参,采用Cadence Virtuoso对电路进行仿真验证,结果表明,该LNA在6.5~10 GHz的工作频带内,S21介于22.77 dB到24.51 dB之间,较为平坦;S11小于-12.34 dB;S22小于-12.34 dB;S12小于-45.06 dB;带内噪声系数较小,介于2.35 dB到2.82 dB之间。
全集成片上带阻滤波器在5.8 GHz处可提供-14.6 dB的噪声抑制。
在0.9 V供电电压下,LNA的静态功耗仅为10.7 mW(含偏置)。
【总页数】5页(P81-84)
【作者】高宇飞;雷倩倩;潘诚;刘启航
【作者单位】西安工程大学理学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN722.3
【相关文献】
1.4～8GHz宽带单片集成低噪声放大器设计
2.2.8～8.5GHz全集成高增益低功耗超宽带低噪声放大器设计
3.8-20GHz宽带单片微波集成低噪声放大器设计
4.4～10GHz宽带单片集成低噪声放大器设计
5.X波段宽带单片集成低噪声放大器设计
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cmos LNA学习历程
噪声：电阻热噪声均方根噪声电压 4kTR△f ； mos管漏极均方根噪声电流 4kTγgd0△f ；栅噪声均方根噪声电流 4kTδgg△f；其它噪声只有在特定条件下变得明显，才需要考虑。
其中δ=2γ。
注：推导噪声的二端口网络，令噪声系数的表达式求导为零，可以求出使噪声最小时满足的条件，但这个条件和功率最大传输的条件一般不相同，所以噪声和功率不能同时达到最优。
低噪放指标：一般在工作带宽内：电压增益Av=20dB左右；S11=-10dB左右； NF为4dB左右，三阶截点一般5dB左右，1dB压缩点要比三阶小10dB左右；功耗一般小于10mW。
满足了这类的放大器，叫做低噪放LNA。
输入级对整个接收机的性能影响颇为重要，所以要尽量的降LNA结构：首先为了功率匹配，有并联输入电阻的共源放大器，并联-串联放大器，共栅放大器以及具有电感的源端负反馈放大器。
第一种会使信号衰减，并引入电阻噪声；第二种常用来宽带设计，但是本身的热噪声也会很大程度影响电路性能；第三种，信号从源端看进去阻抗为1/gm 所以合理控制尺寸和偏置可以达到50欧姆匹配，在高频和考虑栅电流噪声的情况下，噪声系数明显变差。
第四种是窄带低噪放普遍采用的基本结构。
为了增加设计的自由度，栅极也增加了电感。
wt*L为等效电阻实数部分，让其等于50Ω即可。
设计中如果追求噪声系数最小往往器件尺寸和功耗都会出现非常不合理的情况。
但是到最后噪声系数变化的非常缓慢，这提示我们可以不必追求最小的噪声，比最小噪声稍微大一点，而使功耗和尺寸满足我们的要求，这显得更加合理。
所以推导出在功率约束下的最优宽度W=1/3ωLCoxRs。
然后相应的推导出栅电容和Ls，Lg，还有为了很好地抑制输出和输入谐振调谐回路的相互影响，采用共源共栅结构。
这种共源共栅结构上下管子的栅漏重叠电容可能会显著的减小从M1的栅和漏看进去的阻抗，使噪声性能和输入匹配都变差。
把共栅的源区与共源的漏区合并在一起可以缓解这个问题。
一种具有新型增益控制技术的CMOS宽带可变增益LNA
ｏ ｔｒ ｅ ｉ ．ｎｔ ｉｐ ｐ ｒａＣ ｆｒ ｕｕ ｅＲＦｄ ｖｃｓ Ｉ ｈｓ ａ ｅ ＭＯＳｗｉｅ ａ ｄｌ ｏｓ ｍｐｉｅ Ｌ ） ｔ ｏ ｅ ｇ ｉ ｏ ｔ ｌ ｔｏ ｆ ｅ ｄ ｂ ｎ ｗ ｎ ｉ ａ ｌ ｒ（ ＮＡ ｗｉ ｎ ｖ ｌ ａｎｃ ｎｒ ｈ ｄ ｏ ｅ ｉ ｆ ｈ ｏ ｍｅ
ａ ｄ ａ ｏ ｔ ｄ ｉ ｈ ｅ ｏ ｄ ｓ ａ ｅ ｆ ｒｖ ｒａ ｌ ａ ｎ． ａ ｒｃ ｔ ｄ ｗｉｈ Ｓ Ｉ ０ １ ＲＦ ＣＭ ＯＳ ｐ ｏ ｅ ｓ ｄ ｅ ａ ｅ ｎ ｄ ｐ ｅ ｎ ｔ ｅ ｓ ｃ ｎ ｔ ｇ ａ ｉ ｂ ｅ ｇ ｉ Ｆ ｂ ｉａ ｅ ｔ Ｍ Ｃ ．３ ｕ ｍ ｏ ｒ ｃ ｓ ． ｉ ｒ ａ ｉ ｓ ０ ７ ｍｍ ．Ｍ ｅ ｓ ｒ ｄ ｒ ｓ ｌｓ ｓ ｏ ｔ ａ ｈ ＮＡ ｐ ｒ ｔ ｓ ｉ ． — ． ．６ ａ ｕ ｅ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔ ｔ ｅ Ｌ ｏ ｅ ａ ｅ ｎ １ １ １ ８ ＧＨｚ￣ｅ ｕ ｎ ｙ ｂａ ｄ． ｎｄ ｔ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｎ ｑ ｅ ｃ ｎ ａ ｈ ｘ ｍｕ ａ ｄ
摘
要 ：高速超 宽带无线通信 的多标准 融合 是未来射频器件 的发展 趋势，该文提 出一种基于 ＣＭＯＳ工艺 、具有新
型增益控制技术 的宽带低 噪声放大￣ （Ｎ １ 采用并联 电阻反馈实现宽带输入匹配 ， 引入 噪声消除技术来减 小噪 Ｌ Ａ， 并
声 以提 高低噪声性 能；输 出带有新 型 ６位数字 可编程增益控制 电路 以实现可变增益 。采用 中芯 国际 ０１ ．３ ｕｍ ＲＦ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｍ ｕ ｔ—ｔ ｎ ａ ｄ ｃ ｎ ｅ ｇ ｎ ｅ ｆ ｒ ｈ ｇ ｐ ｅ ｌｒ － ｄ ｂ ｎ ｒ ｌ ｓ ｏ ｓｒ ｃ ： ｌｉｓ ａ ｄ ｒ ｏ ｖ ｒ ｅ ｃ ｏ ｉ ｈ ｓ ｅ ｄ ｕ ｔ ａ ｗｉ ｅ ａ ｄ ｗｉｅ ｅ ｓ ｃ ｍｍ ｕ ｉａ ｉ ｎ ｌ ａ ｓ ｔ ｅ ｅ ｏ ｕ ｉ ｎ ｎ ｃ ｔｏ ｅ ｄ ｈ ｖ ｌ ｔｏ
一种应用于脉冲超宽带接收机的高增益LNA_沈传魁
（ ） 源简并电感结合电压并联负反馈单端输入差分输出级 ａ
图 ２ 输入管体电阻对噪声系数的影响
２ ． ２ 带宽与增益 单级放 大 器 使 用 的 片 上 电 感 虽 然 品 质 因 数 较 低， 但 仍 然 很 难 满 足 所 需 频 带 内 的 平 坦 性 要 求， 因 此， 本设计的每一级 Ｌ ＮＡ 都 采 用 了 电 流 复 用 方 式 ） 提高增益 、 降 低 功 耗 。 如 图 １（ 所 示， 来拓展频带 、 ａ 输入管 Ｍ １与 Ｍ ２ 的漏极采用 Ｌ Ｌ １ 作为负载 ， １与 其 ， 节点附近的寄生电 容 谐 振 于 ６ ＧＨ 输 出 信 号 通过 ｚ
［ ２］
出的结构对信 号 再 次 放 大
； 第三级为输出缓冲结
构， 主要实现输 出 阻 抗 的 匹 配 ， 在 片 内 使 用 时， 可将 进一步提高增益 。 第三级结构删除 ，
号会通过这一通路耦合到地 ， 造成信号损失 ， 而体电 阻的 引 入 减 小 了 ＭＯ 从 Ｓ 管 漏 端 信 号 到 地 的 泄 漏， 而提高了信噪比 。 输入管体电阻对噪声系数影响 的 仿真结果如图 ２ 所 示 ， 仿 真 结 果 表 明， 在 Ｒｂ １和 Ｒ ｂ ２ 取２ 噪声系数降低了 ０ ０ｋ ． １ ５ｄ Ｂ。 Ω 时，
７， ８］ ， 第一级电压并联负反馈共源放大器 ［ 该结构
２ ． １ 噪声系数 由Ｆ 系统总噪声系数与各级噪声 ｒ ｉ ｉ ｓ方程可知 ，
： ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｓ Ｍ Ｉ Ｃ ０ ． １ ３μ ｍ ＣＭＯ Ｓ ａ ｈ ｉ ｈ Ｌ ＮＡ ｆ ｏ ｒ Ｉ Ｒ－ＵＷＢ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗ ａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｅ ｄ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ａ ｉ ｎ Ｂ ｇ ｙ ｇ ｐ ｇ
一种应用于超宽带系统的宽带LNA的设计
收稿日期:2005206206; 定稿日期:2005208219基金项目:国家重点基础研究发展(973)计划资助项目(G2000036508);国家自然科学基金资助项目(60236020);国家高技术研究发展(863)计划资助项目一种应用于超宽带系统的宽带L NA 的设计桑泽华,李永明(清华大学微电子学研究所,北京 100084)摘 要: 结合切比雪夫滤波器,可以实现宽带输入匹配的特性和片上集成窄带低噪声放大器(L NA )的噪声优化方法。
提出一套完整的基于CMOS 工艺的宽带L NA 的设计流程,并设计了一个应用于超宽带(U WB )系统的3～5GHz 宽带LNA 电路。
模拟结果验证了设计流程的正确性。
该电路采用SM IC 0.18μm CMOS 工艺进行模拟仿真。
结果表明,该L NA 带宽为3～5GHz ,功率增益为5.6dB ,带内增益波动1.2dB ,带内噪声系数为3.3～4.3dB ,IIP3为-0.5dBm ;在1.8V 电源电压下,主体电路电流消耗只有9mA ,跟随器电流消耗2mA ,可以驱动1.2p F 容性负载。
关键词: 低噪声放大器;切比雪夫滤波器;超宽带;无线局域网中图分类号: TN722.3 文献标识码: A 文章编号:100423365(2006)0120114204A Wideband Low Noise Amplif ier for U ltra WideB and SystemSAN G Ze 2hua ,L I Y ong 2ming(I nstit ute of Microelect ronics ,Tsinghua Uni versit y ,B ei j ing 100084,P.R.China )Abstract : A new design flow is presented by combining the wideband match network theory with the low noise design technique for integrated narrowband low noise amplifier (L NA ).As a demonstration ,a wideband L NA is de 2signed based on this design flow ,which is validated by simulation using SMIC ’s 0.18μm technology.Results from the simulation show that the L NA circuit has achieved an operating f requency ranging f rom 3GHz to 5GHz ,a pow 2er gain between 4.4dB and 5.6dB ,a noise figure f rom 3.3dB to 4.3dB and an IIP3of -0.5dBm.The circuit dis 2sipates 11mA current f rom a single 1.8V power supply ,and it is capable of driving 1.2p F capacitive load.K ey w ords : Low noise amplifier ;Chebyshev filter ;Ultra wide band ;WL AN EEACC : 1220 1 引 言IEEE 802.15.3是一种无线个人域网(WPAN ,Wireless Personal Area Network )标准,包含MAC和P H Y 两部分。
一款低噪声CMOS运算放大器的改进与设计
在 全集成产品中， 片上 电感 占用 芯片 面 积 过 多 。 电路 结 构 大 其
致上如图 １ 示： 所
着人们生活 。低噪声放大器（ ｗ ｏｓ ｌ ｅ， １ ｎ ｉ ａ ｉ ｒ简称 Ｌ ） ｏ ｅ ｍｐ ｆ ｉ ＮＡ 作
为 射 频 收 发 机 前 端 的 主 要 部 件 ，其 功 能 主 要 是 对 从 Ｒ Ｆ接 收 机 天 线 或 天 线 滤 波 器 端 接 收 到 的 微 弱 信 号 进 行 放 大 以及 降 频、 波 ， 到后端 Ｒ 滤 得 Ｆ相 关 电路 正 常 工 作 所 需 的 中 频 信 号 。 它位于整个射 频接收机 电路系统 的第一级 ， 因此 其 各 项 指 标
近 年 来 射 频 无 线 通 信 技 术 飞 速 发 展 ，现 已发 展 到 能提 供 综 合 高 速 个 人 通 信 服 务 的第 三 代 （Ｇ） 动 通 信 系 统 ， 线 通 ３ 移 无 信 技 术 已经 广 泛 应 用 于 国 民经 济 的 各 个 领 域 ， 深 刻 地 改 变 正
１ 引 言 ．
点 是 阻 抗 匹 配 主 要 用 源 级 负 反 馈 电 感 和 栅 极 串 联 电感 来 实 现 ， 为 它 使 用 纯 电抗 器 件 ， 因 消耗 功 耗 几 乎 为 零 ， 不 引 入 额 也
外的噪声， 因此 噪 声 性 能优 异 ， 够 获 得 较 高 的 增 益 。缺 点 是 能
直 接 影 响 整 个 电路 系 统 的性 能 的 优 劣 。 通 常 Ｌ ＮＡ 的噪 声 来
源 有 四种 ， 别 是热 噪 声 、 分 闪烁 噪 声 、 米 噪 声 、 爆 散粒 噪 声 。 从 噪 声 的 角 度 来 看 ， 常 Ｌ 噪 声 系 数 要 求 ５Ｂ 以下 。从 增 益 通 ＮＡ ｄ 的角度来分析 ，一般要求 Ｌ ＮＡ 高 增 益 模 式 在 １ ｄ ５ Ｂ左 右 ， 低 增 益 在 ０Ｂ 左 右 。从 选 频 的角 度 看 ， 据 两 种 架 构 的不 同 ， ｄ 根 选
lna的原理
lna的原理低噪声放大器（Low Noise Amplifier，简称LNA）是一种用于放大电信号并且尽量不引入噪声的电子元件。
它可以被广泛应用于无线通信系统中，如手机通信、卫星通信、射频识别（RFID）等。
LNA的主要原理是通过提供高增益且低噪声的放大器来放大输入信号。
为了实现这个目标，LNA通常需要具备以下几个关键特点：1. 低噪声系数：LNA需要具备尽可能低的噪声系数，以确保输入信号的有效性。
噪声系数是指输入与输出之间噪声功率的比值。
通常，噪声系数越低，LNA越能够保持信号的纯净性。
2. 高增益：LNA需要提供足够的增益来保证信号的强度能够达到足够的水平，使其能够被后续电路捕获和处理。
增益是指输出信号与输入信号的功率比值。
一般来说，LNA的增益应该较高，但也要避免引入过多的噪声。
3. 宽带：因为不同应用场景下的输入信号频率有所不同，LNA需要具备宽带性能，以适应不同频段的信号放大需求。
宽带特性可以通过采用设计优化的无源元件和匹配网络来实现。
为了满足上述要求，LNA通常采用低功耗的晶体管作为放大器的放大元件。
晶体管可以通过适当的偏置方式来实现低噪声放大。
常用的晶体管类型包括二极管结型晶体管（JFET）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。
这些晶体管具有较低的内部噪声，可以提供高增益和宽带特性。
基于晶体管的LNA通常包括以下几个关键组件：1. 输入匹配网络：输入匹配网络用于保证输入电路与信号源的匹配，以最大程度地转移并放大输入信号。
这个网络通常由电容、电感和变压器组成。
2. 稳定偏置电路：稳定偏置电路通过提供适当的偏置电压和电流来确保晶体管在工作过程中的稳定性。
它通常由电源、电阻和电容组成。
3. 输出匹配网络：输出匹配网络用于匹配放大电路与负载之间的特性阻抗，以最大限度地转移功率。
输出匹配网络通常由电容和电感组成。
通过合理地设计和优化以上组件，LNA可以实现高增益、低噪声、宽带的特性，从而有效地放大输入信号并尽量减小噪声的引入。
采用噪声消除技术的3～5 GHz CMOS超宽带LNA设计
2002年2月,美国联邦通信委员会( FCC)为超宽带无线通信系统规划了3.1 - 10.6GHz的频谱资源,引起了全球性的研究热潮。超宽带技术具有低功耗、高数据传输速率、抗干扰性强等优点。超宽带低噪声放大器是超宽带无线接收前端系统中的第一个模块。它影响着整个系统的带宽、噪声、功耗等性能。本文设计的CMOS低噪声放大器适用于工作频段为3～5GHz的超宽带系统。文章从LNA结构的选取开始,然后进行电路分析与设计及仿真,最后对仿真结果进行分析和总结。1 超宽带LNA结构选取传统的宽带LNA的设计中,常采用分布式和平衡放大器技术。此两者为了获得较好的宽频特性和输入匹配,需要消耗较大的直流功耗。因此,不适合应用于UWB系统。目前,在超宽带LNA设计中应用较多的是带通滤波器输入匹配结构和并联电阻负反馈结构。前者拥有较大的带宽、平坦的增益和良好的噪声性能。但需要在输入端加入阶数较高的带通滤波器以展宽频带。后者通过引入电阻反馈回路,降低输入端品质因子,从而扩展频带。本文以后者为基础,采用噪声消除技术优化噪声系数。图1给出了所采用电路结构的示意图。图1中,电路的主放大部分是并联负反馈Cas2code结构。C1、C2 和C3 为片内隔直电容, Rf 为反馈电阻, Cf 为反馈回路上的隔直电容。Lg 和L1 为窄带LNA的输入匹配网络。M1 是共源结构,为主放大管,电路的噪声系数和输入匹配取决于该管。M2为共栅结构,主要作用是提供较大的反向隔离度和抑制M1 的密勒效应。L2、Rd 和Cd 采用并联结构形成低Q值负载扩展输出带宽。M3 和M4 构成源极跟随器,形成输出级。M1、M2、M3、M4 共同构成前馈噪声消除结构。图1 中省略了偏置电路, Vbias_1、Vbias_2为偏置电压。图1 低噪放电路结构示意图2 电路分析与设计2. 1 宽带输入匹配分析在图1中,除去输出缓冲器M3 管。由于M1、M2 和L1 形成的电感退化结构将输入电压转化为输出电流,故可等效成跨导为Gm 的跨导级。由此可得主放大电路的小信号等效电路,。Gm级的等效可参见文献[ 5 ]。这里将M2 看作理想电流传输器,忽略其二级效应, 以得到有意义的结论。图2中, Cgs1为M1 的栅源电容, Z4 ( s)为M4 前馈回路的输入阻抗, L2、Rd 和Cd 组成负载阻抗。Gm1为M1 的跨导。对图2中X 点的对地阻抗分析可知:其中：M4 前馈回路的输入阻抗可表示为:因此LNA的输入阻抗表达式为:由于式(9)过于复杂,故用Matlab数值分析代替表达式分析。在仿真工艺和可行的电路参数的条件下,得到图3的计算结果。可见在3～5 GHz范围内, Zin的实部非常接近50Ω,同时其虚部在4. 2 GHz附近等于0,而且Zin的幅值距离50Ω亦不远。这说明电路完成了宽带输入匹配。窄带LNA的设计可参见文献[5 ],这里仅给出晶体管尺寸和Lg、L1 的取值:M1 =M2 =320μm /0. 18μm, Lg =2. 6 nH, L1 =0. 32 nH。图2 核心电路小信号等效电路图图3 Zin的Matlab仿真结果2. 2 增益分析对图2进行分析和推导,可得到主放大电路的增益Amain ( s)的表达式:式中, Zinx ( s)是X 处的对地阻抗。为加大电路增益可采取增大等效跨导Gm ,加大负载阻抗ZL 等办法。但Gm , ZL 等参数均与频率有关,这些参数的变化会影响增益平坦度,所以设计时需折衷考虑。为了进一步提高主放大电路的增益,在输出缓冲器M3 的栅极前串联电感L3, 其增益提升原理可用图4 ( a)所示的放大器等效模型加以解释。CLoad可以看作是M3 的输入电容。图4 ( b)为模型的小信号等效电路。分析小信号等效电路的增益有:由式(12)和式( 13)可知, 电感L3 的引入达到了提高增益的目的。当L 与CLoad在ω2 处谐振时有:图4宽带LNA中的输出负载需要采用低Q 值电路。图4 (c)为输出负载,图4 ( d)为输出负载的等效电路,Cout为放大电路的输出电容。负载Q值可表示为ωRp(Cp +Cout )。使L2 与(Cp +Cout )谐振在所需要的频点(ω1 ) ,再选择合理的Rp 值,使Q值满足带宽要求即可。由式(14)和对输出负载的分析知,电路增益将出现两个峰值频点即ω1 和ω2。因此合理选择Cd 和L3 的值,可以获得良好的增益平坦度。通过仿真, 选取L2 =4. 6 nH, Rd =575Ω, Cd =5. 4 pF, L3 =715 nH。2. 3 噪声抵消分析分析图5 可知, Cascode结构的噪声电流Ini流过反馈阻抗ZF ( s) 、电感Lg 和Rs ,在M1 的栅极和M2 的漏极分别产生两个相位相近但幅度不同的噪声电压VZ, ni和VY, ni。如果通过反相放大器M4 将VZ, ni放大,通过同相放大器M3 将VY, ni放大后在输出端叠加,就可以将Ini在输出端产生的噪声电压Vout, ni减小,而输入信号将被分别放大后叠加 。VZ, ni、VY, ni和Vout, ni由式(15) (16) (17)表示:其中M3、M4 的增益为:定义等效噪声阻抗:图5 噪声消除技术原理图由于式(20)过于复杂,故用Matlab数值分析代替表达式分析。在仿真工艺和可行的电路参数的条件下,得到图6的计算结果。, Rout, ni在高频段的幅值较低,而且随着L4 的增加Rout, ni的幅值逐渐减小。因此增加L4 可以改善LNA的高频噪声性能。兼顾噪声抵消和输出匹配的要求,通过仿真,选取L4 =616 nH, Rf = 1 kΩ, Cf = 0. 9 pF,M3 = 45μm /0. 18μm,M4 =90μm /0. 18μm。图6 Rout, ni的Matlab仿真结果3 仿真结果对于本文设计的3 - 5 GHz超宽带低噪声放大器,采用SM IC 0. 18 - μm RF CMOS 工艺, 使用ADS2008进行仿真,电源电压为1. 8 V,核心电路和输出缓冲级分别消耗电流9 mA和2. 4 mA,电路总功耗约为20. 5 mW。,电路输入输出匹配良好,反向隔离度合格。图7 中,“方格”标识的曲线为L3 = 0时的S21 ,“圆圈”标识的曲线为L4补偿了高频增益损失,使最大增益从15 dB提升至18 dB,这与本文式(12) 、式(13)和式(14)的分析是一致的。对比两条噪声系数曲线知,在3. 5 - 5 GHz频段内,噪声消除技术均提供了不同程度的噪声优化,最大噪声系数从大于3 dB下降至2. 84 dB,这与本文对图6的分析是一致的。,电路在4. 5 GHz取得- 12. 9 dBm 的IIP3。表1是超宽带LNA性能参数汇总及对比。表1 性能参数汇总及对比图7 S21和噪声系数仿真结果图8 S参数仿真结果图9 输入三阶截断点仿真结果4 结论本文基于SM IC 0. 18μm RF CMOS工艺,设计了可以工作于3～5 GHz频段的超宽带低噪声放大器。对电路的输入匹配和增益进行了分析,对噪声消除技术进行了推导。仿真结果表明,该放大器在工作频带内的各项指标满足超宽带系统应用。
高增益低噪声放大器(LNA)的设计资料
本科生毕业设计[论文] 高增益低噪声放大器（LNA）的设计院系专业班级姓名学号指导教师2017年1月13日华中科技大学IC课程设计（论文）学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：2017 年 1 月13 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
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（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：2017 年 1 月13 日导师签名：2017 年 1 月13 日摘要低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）作为整个射频接收系统第一级，直接影响着整个系统的性能。
它的主要功能就是将从天线接收到的微弱信号进行放大，同时将其输出给后级的混频器，在这个过程中LNA引入信号中的噪声非常低，对信号进行初步的降噪处理，如果信号在通过LNA时引入的噪声较大或者没有将信号放大，那么其后的射频模块将无法对有用信号进行处理。
所以应用中的低噪声放大器必须具有最佳的噪声系数（NF），具有良好的线性度且对信号有一定的放大功能。
基于以上的研究背景，本文设计了一款高增益宽带低噪声放大器，详细的介绍了它的设计过程。
文章首先对宽带低噪声放大器进行了简单介绍，包括它的研究背景及国内外发展现状，接着介绍了在设计低噪声放大器中我们要注意的几个主要的参数，包括噪声、功率增益、输入匹配、线性度和S参数。
最后详细的介绍了我们的电路设计过程，包括一级和二级电路的选择以及其中一些工艺参数的设计，并给出了仿真结果，供大家分析和讨论。
CMOS全差分低噪声运算放大器的研究与设计方案(运放的理论性文章)
CMOS全差分低噪声运算放大器的研究与设计摘要运算放大器在现代科技的各个领域得到了广泛的应用，如A/D与D/A转换器、有源滤波器、自动增益控制器等，针对不同的应用领域出现了不同类型的运放。
本文详细介绍了一种可以用在微弱信号测量系统和高保真要求的音频系统中的全差分结构低噪声运放，使用0.18微M的CMOS工艺实现，供电电压是1.8V，根据低噪声的要求选择了合适的结构，在第一级采用PMOS作为输入端的套筒式共源共栅放大电路，第二级使用共源电路，在减少运放内部器件产生的噪声同时，考虑了减少外界的电源串扰噪声影响，完成了主电路的设计，另外为了使差分电路的输出直流电压偏置在理想位置，分析并设计了基于负反馈原理的共模反馈电路。
文章的最后对电路的重要参数如直流增益、相位裕度及输入参考噪声做了比较详细的分析与推导，并在SUN工作站上使用Cadence的模拟设计工具IC5033对电路进行了全面的仿真，仿真的结果显示在1 KHz处的输入参考噪声可以达到6nV币弧左右，这是一个相当好的结果。
关键词：运放低噪声全差分CMOS工艺目录摘要1目录1前言2第一章运算放大器的原理与应用31.1运算放大器的原理31.1.1理想运放31.1.2实际运放51.2全差分运放61.3运放的基本应用71.4低噪声运放的应用8第二章MOS器件工作原理102. 1 MOS器件基础102. 2 MOSFET的闭值电压112. 3 MOSFET的工作区域112. 3. 1线性区112. 3. 2饱和区132. 4二级效应152. 4. 1体效应152. 4. 2沟道长度调制效应162. 4. 3亚阈值效应172. 5 MOS管的小信号模型17第三章CMOS单级放大器193.1反相器193.1.1有源负载反相器193. 1. 2电流源负载反相器203. 2差分放大器203. 2. 1共模输入范围213. 2. 2差分放大器的增益213. 3共源共栅放大器22第四章电路噪声234. 1噪声幅值分布234. 2系统对噪声的影响244. 3器件噪声254. 3. 1电阻的热噪声254. 3. 2 MOS管的沟道热噪声254. 3. 3 MOS管闪烁噪声25第五章全差分低噪声运算放大器的设计255. 1低噪声运算放大器的结构设计255.1.1低噪声运算放大器的整体结构255.1.2主电路的设计265. 1. 3共模反馈电路的设计275. 2运放主要参数的仿真分析285. 2. 1运放的开环增益的仿真与分析285. 2. 2运放频率补偿的仿真与分析295.2.3运放电源纹波抑制比的仿真与分析325.2.4运放噪声的仿真与分析325.2.5运放线性度的仿真与分析335. 2. 6运放速度的仿真与分析345.2.7运放的温度特性35结束语36参考文献36前言运算放大器的本质是一个高增益的放大器，它可能是现代模拟电路中最通用和重要的单元，其地位可以相当于数字电路中的“门”电路，在外部反馈网络的配合下，它的输出与输入电压(或电流)不需要依赖开环关系，而是可以灵活地实现各种特定的函数关系，因此可以对不同的信号进行组合、处理。
一种高增益、低功耗的超宽带低噪声放大器
一种高增益、低功耗的超宽带低噪声放大器刘丹丹;马铭磷【摘要】提出了一种基于跨导增强技术及噪声抵消技术的超宽带低噪声放大器电路,并且在电路中采用了电流复用技术.电路由输入级、放大级和输出级3部分组成.在输入级中,利用跨导增强技术实现了电路输入阻抗的匹配;在放大级中,利用跨导增强技术以及电流复用技术使电路增益有了明显的提升,并且利用噪声抵消技术、跨导增强技术使得电路的噪声性能以及功耗有了明显的改善;在输出级中,利用电感与电容谐振的原理实现输出阻抗的匹配.该放大器采用TSMC 0.18μm RF CMOS工艺,并利用ADS对电路进行优化仿真,结果表明,该放大器在3～5 GHz范围内增益为20.4～21.8 dB,噪声系数为1～1.8 dB.电路工作电压为1 V,功耗为7.9 mW.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2019(000)007【总页数】5页(P109-113)【关键词】低噪声放大器;跨导增强技术;电流复用技术;噪声抵消技术;噪声系数;增益【作者】刘丹丹;马铭磷【作者单位】湘潭大学信息工程学院,湖南湘潭 411105;湘潭大学信息工程学院,湖南湘潭 411105【正文语种】中文【中图分类】TN7220 引言近年来，超宽带系统作为一种新的无线通信技术，由于具有高数据传输速率、低功耗、低成本以及干扰小等优点，已被广泛应用在生活、军事等方面。
超宽带低噪声放大器作为射频接收机的第一级系统，必须能够满足宽带输入匹配，低噪声系数，平坦的增益以及低功耗等要求。
最近，一些高性能的超宽带低噪声放大器电路已经被提出了。
2006年，由X Guan和C Nguyen[1]提出的分布式放大器不仅拓展了电路所需的带宽而且达到了线性度的要求，但是它需要消耗大量的电流以及占用大量的芯片面积。
在文献[2]中，J H C Zhan等人提出了电阻并联反馈技术，电路通过采用上百个反馈电阻来扩展带宽，电阻的大量使用会造成电路的噪声性能变差。
采用噪声消除技术的3～5GHz CMOS超宽带LNA设计
ｌ ｓ ｈ ｎ ０． Ｂ，ａ ｍａ ｉ ｍ ｏ ｓ ｇ ｒ ｆ２． Ｂ，ａ ｄ ａ ｎ ｕ ｄ ｏ ｄ ｒｉ ｔｒ ｅ ｔｐｏｎ ｆ 一１ ９ ｄ ｅｓｔａ ７ ｄ ｘ ｍｕ ｎ ｉｅ ｆ ｕ ｅ ｏ ９ ｄ ｉ ｎ ｎ ｉ ｐ ｔ３ｒ ｒ ｅ ｎ ｅ ｃ ｐ ｉ ｔｏ ２． Ｂｍ．Ｔｈ ｅ ｗｈ ｌ ｉｃ ｉ ｉ ｔ ｏ ｓ ｍｐ ｉ ｎ ｏ ０． ｉｅ ｃ ｒ ｕ ｔ ｓ ｗｉｈ ｃ ｎ ｕ ｔｏ ｆ２ ５ ｍＷ ｎ ｅ ８ Ｖ ｉｇ ｅ ｓ ｐ ｌ ． ｕ ｄ ｒａ １． ｓｎ ｌ ｕ ｐ ｙ Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ：ｎ ｉｅ ｃ ｎ ｅ ｉ ｇ；ＵＷ Ｂ；ｌ ｗ ｏｓ ｍｐ ｉ ｅ ；ｓ ｎ —ｅ ｄ ｃ ｏｓ ａ ｃ ｌｎ ｏ ｎ ｉｅ ａ ｌｆ ｒ ｈｕ ｔｆ ｅ ｂａ ｋ ｉ
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中图分 类号 ： Ｎ ２ ． Ｔ ７２ ３
文献 标识 码 ： Ａ
文章 编号 ：０ ５— ４ ０ ２ １ ）３— ２ ０－ ５ຫໍສະໝຸດ １０ ９９ （００ ０ ０ ９ ０
cmos反相器多级噪声抑制原理
CMOS反相器多级噪声抑制原理一、概述CMOS反相器是数字电路中常见的基本元件，它由N型MOS和P型MOS场效应晶体管组成。
在数字系统中，CMOS反相器被广泛用于信号的放大、传输和逻辑运算等方面。
然而，由于环境中存在各种形式的噪声，噪声会对CMOS反相器的正常工作产生不利影响。
为了提高CMOS反相器的性能，多级噪声抑制原理被引入其中。
二、多级噪声抑制原理1. 噪声来源在CMOS反相器中，噪声主要来源于以下几个方面：- 热噪声：由于晶体管内部载流子的热运动引起的随机涨落现象导致的噪声；- 断电噪声：由于晶体管内部的空载电流引起的噪声；- 电源噪声：由于电源波动引起的噪声；- 输入信号噪声：来自输入信号的噪声。
2. 多级噪声抑制原理的基本思想多级噪声抑制原理的基本思想是通过多级放大器和滤波器的结合，降低噪声对CMOS反相器的影响，提高系统的信噪比。
在CMOS反相器中，通常采用分级放大器和信号处理器来完成多级噪声抑制。
3. 分级放大器的作用分级放大器主要用于信号的放大和噪声的抑制。
这是因为在放大器中，信号的增益和噪声的增益是不同的，可以通过适当设计放大器的结构和参数，使得信号得到增益，而噪声得到抑制。
4. 信号处理器的作用在CMOS反相器中，信号处理器主要用于对信号进行滤波和去噪，进一步提高系统的信噪比。
信号处理器可以采用数字滤波器、模拟滤波器等方式，根据具体的应用需求和系统性能要求进行选择和设计。
5. 多级噪声抑制原理的实现多级噪声抑制原理的实现需要综合考虑系统的性能指标、电路结构、工艺制程等多个方面的因素。
在设计中需要注意以下几点：- 合理选择放大器和滤波器的结构和参数，以实现信号的增益和噪声的抑制；- 优化电路的布局和布线，以降低电路的噪声敏感度和互相干扰；- 采用先进的工艺制程和技术，以提高电路的性能和可靠性。
6. 多级噪声抑制原理的优势多级噪声抑制原理的优势主要体现在以下几个方面：- 可以有效抑制噪声，提高系统的信噪比；- 可以提高系统的抗干扰能力，提高系统的稳定性和可靠性；- 可以适应不同的应用场景和性能要求，具有灵活性和可扩展性。
CMOS电路噪声与抑制
CMOS电路噪声与抑制噪声是电路中常见的问题，对于CMOS电路而言也是如此。
在设计和使用CMOS电路时，我们需要了解噪声的来源以及如何有效地抑制噪声，以确保电路的性能和可靠性。
本文将探讨CMOS电路噪声的产生机制以及几种常见的噪声抑制技术。
一、噪声的来源CMOS电路中的噪声主要来自以下几个方面：1. 热噪声：热噪声是由元件的热激活引起的。
根据维纳-霍奇金关系，热噪声与电阻、温度以及带宽相关。
在CMOS电路中，主要由电阻和晶体管的热噪声引起。
2. 动态噪声：动态噪声源于电荷的随机变动。
例如，由于电流和电压的变化引起的电感和电容的噪声。
此外，开关瞬态和充放电过程中的不确定性也会导致动态噪声。
3. 互调失真噪声：互调失真噪声是由非线性元件引起的。
在高频应用中，由于非线性元件的存在，信号会在频谱上产生互调失真。
二、噪声抑制技术为了有效地抑制CMOS电路中的噪声，工程师们开发了多种噪声抑制技术。
以下是几种常见的技术：1. 降噪滤波器：降噪滤波器通过滤除噪声信号的特定频率成分来减少噪声的影响。
常见的降噪滤波器包括带通滤波器和带阻滤波器。
通过适当选择滤波器的参数，可以实现对特定频率的噪声的抑制。
2. 增加信噪比：信噪比是衡量信号质量的重要指标。
通过增加信号的强度或减少噪声的幅度，可以提高信噪比。
在CMOS电路设计中，可以采取一系列措施来增加信号强度，例如增大电流和电压，优化电路布局，减少电阻和电容等。
3. 降低功耗：功耗是产生噪声的重要因素之一。
高功耗会产生较高的温度，从而增加热噪声。
因此，在CMOS电路设计中要尽量降低功耗。
常见的功耗优化技术包括使用低功耗电源电压，采用节能的电路结构和算法等。
4. 场效应管噪声抑制技术：由于CMOS电路中晶体管的噪声是主要的噪声源之一，因此采用一些场效应管噪声抑制技术可以有效地降低噪声。
例如，在放大器电路中，可以采用共源极电路来抑制晶体管的噪声。
5. 模拟/数字混合抑制：在模拟/数字混合电路中，模拟和数字信号之间的转换也可能引入噪声。
单片lna cmos工艺 节点 eetop -回复
单片lna cmos工艺节点eetop -回复在芯片设计领域中，单片低噪声放大器（LNA）是一个非常重要的组成部分。
它负责接收并放大来自天线或传感器等外部信号源的微弱信号。
CMOS工艺被广泛用于单片LNA的制造，因为它具有成本低、集成度高和功耗低等优点。
本文将深入讨论单片LNA和CMOS工艺的关系，并探讨其中涉及的一些关键技术节点。
首先，让我们回顾一下低噪声放大器的基本原理。
LNA的主要目标是放大输入信号并尽量减小噪音。
因此，一个好的LNA必须具备高增益和低噪声系数。
采用CMOS工艺制造的LNA通常由三个主要的基本构建单元组成：负乘法器（negative multiplier）、差分放大器（differential amplifier）和负反馈（negative feedback）。
CMOS工艺对于单片LNA来说非常适用，因为它能够实现高度集成的复杂电路，并具备较低的功耗和成本。
CMOS工艺下的单片LNA通常使用差分结构，这样可以有效抵消噪声和干扰，提高信号的纯净度。
此外，由于CMOS工艺采用的是标准的硅基材料，制造过程更加简单，因此能够降低生产成本。
在CMOS工艺下实现单片LNA时，有几个关键的技术节点需要考虑。
首先是源极共源电感（source inductor），它用于抵消CMOS工艺内部的电容效应，提高LNA的效能。
此外，还有输入匹配电路（input matchingnetwork），它用于提供合适的输入阻抗，以便与天线或传感器等外部信号源进行匹配。
同时，输出匹配电路（output matching network）用于提供合适的输出阻抗，以便与后续电路相匹配。
另一个重要的技术节点是噪声优化。
由于LNA的主要目标是放大微弱信号并尽量减小噪声，因此在CMOS工艺下设计单片LNA时需要考虑噪声的优化。
常见的噪声源包括热噪声、过程噪声和1/f噪声。
通过采用合适的电路拓扑结构、合理的偏置电流和电源电压选择，可以有效降低噪声水平。
一种基于噪声抵消技术的高线性LNA设计
一种基于噪声抵消技术的高线性LNA设计刘廷敏【期刊名称】《《中国电子科学研究院学报》》【年(卷),期】2019(014)007【总页数】5页(P734-738)【关键词】三阶互调失真分量抵消; 二阶互调失真分量抵消; 噪声抵消; 宽带低噪声放大器; 高线性【作者】刘廷敏【作者单位】成都农业科技职业学院四川 611130【正文语种】中文【中图分类】TN4320 引言在可以处理多个通信标准的接收机当中，宽带低噪声放大器LNA是必不可少的模块，要求LNA不仅要具有较低的噪声、较高的增益，也需要具有较宽的输入阻抗匹配频段[1-3]。
并且为了保证信号能够不失真地放大，还需要LNA具有较高的线性度。
二阶互调失真分量(IMD2)和三阶互调失真分量(IMD3)是影响LNA线性度的两种重要因素，严重退化了整体接收机系统的灵敏度。
为了在较低的噪声下，实现较宽的阻抗匹配，噪声抵消技术得到了广泛的应用[4-6]，虽然噪声抵消技术采用负反馈方式抵消了第一级晶体管的热噪声和非线性谐波失真分量，但是该技术很难抵消掉由辅助放大器产生的非线性谐波失真分量，而该分量是引起电路非线性失真的主要因素。
为了克服以往技术的缺陷，本文设计了一款全新的电路结构，可以抵消掉所有级电路中的IMD2分量和IMD3分量，从而提高电路的线性度。
1 宽带阻抗匹配和噪声系数图1所示即为本文所提出的LNA电路图，其中，反馈电阻RF的采用，将第A级晶体管的栅极电压偏置于VDD/2上，因此并不需要采用额外的偏置电路。
图1 提出的LNA电路图图2 所提出LNA采用IMD2分量抵消的概念经推导可得，图1所示电路的输入阻抗Rin、输出阻抗Rout和电压增益Av分别为：(1)(2)Av=(Rout‖RL){gm,B+gm,Agm,C(RF‖ro,A)}(3)其中，ro,i为第i级晶体管的输出阻抗(i=A，B，C)，gm,i为第i级NMOS和PMOS的跨导总和，可以通过调整A级和B级晶体管的跨导，将输入和输出阻抗匹配至源阻抗RS。
一种3～5GHz连续增益可调CMOS超宽带LNA的设计
一种3～5GHz连续增益可调CMOS超宽带LNA的设计杨凯;王春华;戴普兴【期刊名称】《微电子学》【年(卷),期】2008(38)2【摘要】提出了一种具有大范围连续增益变化的3～5GHzCMOS可调增益低噪声放大器。
采用两级共源共栅电路结构，二阶切比雪夫滤波器作为输入，源跟随器作为输出，在带内获得了良好的输入输出匹配和噪声性能。
通过控制第二级的偏置电流，获得了36dB的连续增益可调，同时也不影响输入输出匹配。
该电路基于TSMC0．18脚CMOS工艺，在最高增益时，输入和输出反射系数511和52z分别小于-10．1dB和-15dB，最高增益达到23．8dB，最小噪声系数仅为1．5dB，三阶交调截点为-7dBm，在1．2V电压下，功耗为6．8mW；芯片面积0．71mm^2（0．96mm×0．74mm）。
【总页数】5页(P275-279)【关键词】低噪声放大器;超宽带;共源共栅;增益可调;CMOS;切比雪夫滤波器【作者】杨凯;王春华;戴普兴【作者单位】湖南大学计算机与通信学院【正文语种】中文【中图分类】TN722.3【相关文献】1.采用噪声抵消技术的高增益CMOS宽带LNA设计 [J], 董叶梓;张鹏;毛陆虹2.3～5GHz超宽带可变增益CMOS低噪声放大器的设计 [J], 陈昌明;彭烨;王建波3.增益可调宽带CMOS低噪声放大器设计 [J], 程知群;傅开红;李进;周云芳4.一种具有新型增益控制技术的CMOS宽带可变增益LNA [J], 谌斐华;多新中;孙晓玮5.一种高增益低功耗CMOS LNA设计 [J], 唐江波;王宁章;卢安栋;罗婕思因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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2002年2月,美国联邦通信委员会( FCC)为超宽带无线通信系统规划了3.1 - 10.6GHz的频谱资源,引起了全球性的研究热潮。超宽带技术具有低功耗、高数据传输速率、抗干扰性强等优点。超宽带低噪声放大器是超宽带无线接收前端系统中的第一个模块。它影响着整个系统的带宽、噪声、功耗等性能。本文设计的CMOS低噪声放大器适用于工作频段为 3～5GHz的超宽带系统。文章从LNA结构的选取开始,然后进行电路分析与设计及仿真,最后对仿真结果进行分析和总结。1 超宽带LNA结构选取传统的宽带LNA的设计中,常采用分布式和平衡放大器技术。此两者为了获得较好的宽频特性和输入匹配,需要消耗较大的直流功耗。因此,不适合应用于UWB系统。目前,在超宽带LNA设计中应用较多的是带通滤波器输入匹配结构和并联电阻负反馈结构。前者拥有较大的带宽、平坦的增益和良好的噪声性能。但需要在输入端加入阶数较高的带通滤波器以展宽频带。后者通过引入电阻反馈回路,降低输入端品质因子,从而扩展频带。本文以后者为基础,采用噪声消除技术优化噪声系数。图1给出了所采用电路结构的示意图。图 1中,电路的主放大部分是并联负反馈Cas2code结构。C1、C2 和C3 为片内隔直电容, Rf 为反馈电阻, Cf 为反馈回路上的隔直电容。Lg 和L1 为窄带LNA的输入匹配网络。M1 是共源结构,为主放大管,电路的噪声系数和输入匹配取决于该管。M2为共栅结构,主要作用是提供较大的反向隔离度和抑制M1 的密勒效应。L2、Rd 和Cd 采用并联结构形成低Q值负载扩展输出带宽。M3 和M4 构成源极跟随器,形成输出级。M1、M2、M3、M4 共同构成前馈噪声消除结构。图1 中省略了偏置电路, Vbias_1、Vbias_2为偏置电压。图1 低噪放电路结构示意图2 电路分析与设计2. 1 宽带输入匹配分析在 图1中,除去输出缓冲器M3 管。由于M1、M2 和L1 形成的电感退化结构将输入电压转化为输出电流,故可等效成跨导为Gm 的跨导级。由此可得主放大电路的小信号等效电路,。Gm级的等效可参见文献[ 5 ]。这里将M2 看作理想电流传输器,忽略其二级效应, 以得到有意义的结论。图2中, Cgs1为M1 的栅源电容, Z4 ( s)为M4 前馈回路的输入阻抗, L2、Rd 和Cd 组成负载阻抗。Gm1为M1 的跨导。对图2中X 点的对地阻抗分析可知:其中：M4 前馈回路的输入阻抗可表示为:因此LNA的输入阻抗表达式为:由 于式(9)过于复杂,故用Matlab数值分析代替表达式分析。在仿真工艺和可行的电路参数的条件下,得到图3的计算结果。可见在3～5 GHz范围内, Zin的实部非常接近50Ω,同时其虚部在4. 2 GHz附近等于0,而且Zin的幅值距离50Ω亦不远。这说明电路完成了宽带输入匹配。窄带LNA的设计可参见文献[5 ],这里仅给出晶体管尺寸和Lg、L1 的取值:M1 =M2 =320μm /0. 18μm, Lg =2. 6 nH, L1 =0. 32 nH。图2 核心电路小信号等效电路图图3 Zin的Matlab仿真结果2. 2 增益分析对图2进行分析和推导,可得到主放大电路的增益Amain ( s)的表达式:式中, Zinx ( s)是X 处的对地阻抗。为加大电路增益可采取增大等效跨导Gm ,加大负载阻抗ZL 等办法。但Gm , ZL 等参数均与频率有关,这些参数的变化会影响增益平坦度,所以设计时需折衷考虑。为了进一步提高主放大电路的增益,在输出缓冲器M3 的栅极前串联电感L3, 其增益提升原理可用图4 ( a)所示的放大器等效模型加以解释。CLoad可以看作是M3 的输入电容。图4 ( b)为模型的小信号等效电路。分析小信号等效电路的增益有:由式(12)和式( 13)可知, 电感L3 的引入达到了提高增益的目的。当L 与CLoad在ω2 处谐振时有:图4宽带LNA中的输出负载需要采用低Q 值电路。图4 (c)为输出负载,图4 ( d)为输出负载的等效电路,Cout为放大电路的输出电容。负载Q值可表示为ωRp(Cp +Cout )。使L2 与(Cp +Cout )谐振在所需要的频点(ω1 ) ,再选择合理的Rp 值,使Q值满足带宽要求即可。由式(14)和对输出负载的分析知,电路增益将出现两个峰值频点即ω1 和ω2。因此合理选择Cd 和L3 的值,可以获得良好的增益平坦度。通过仿真, 选取L2 =4. 6 nH, Rd =575Ω, Cd =5. 4 pF, L3 =715 nH。2. 3 噪声抵消分析分 析图5 可知, Cascode结构的噪声电流Ini流过反馈阻抗ZF ( s) 、电感Lg 和Rs ,在M1 的栅极和M2 的漏极分别产生两个相位相近但幅度不同的噪声电压VZ, ni和VY, ni。如果通过反相放大器M4 将VZ, ni放大,通过同相放大器M3 将VY, ni放大后在输出端叠加,就可以将Ini在输出端产生的噪声电压Vout, ni减小,而输入信号将被分别放大后叠加 。VZ, ni、VY, ni和Vout, ni由式(15) (16) (17)表示:其中M3、M4 的增益为:定义等效噪声阻抗:图5 噪声消除技术原理图由 于式(20)过于复杂,故用Matlab数值分析代替表达式分析。在仿真工艺和可行的电路参数的条件下,得到图6的计算结果。, Rout, ni在高频段的幅值较低,而且随着L4 的增加Rout, ni的幅值逐渐减小。因此增加L4 可以改善LNA的高频噪声性能。兼顾噪声抵消和输出匹配的要求,通过仿真,选取L4 =616 nH, Rf = 1 kΩ, Cf = 0. 9 pF,M3 = 45μm /0. 18μm,M4 =90μm /0. 18μm。图6 Rout, ni的Matlab仿真结果3 仿真结果对 于本文设计的3 - 5 GHz超宽带低噪声放大器,采用SM IC 0. 18 - μm RF CMOS 工艺, 使用ADS2008进行仿真,电源电压为1. 8 V,核心电路和输出缓冲级分别消耗电流9 mA和2. 4 mA,电路总功耗约为20. 5 mW。,电路输入输出匹配良好,反向隔离度合格。图7 中,“方格”标识的曲线为L3 = 0时的S21 ,“圆圈”标识的曲线为L4 =115 nH时的噪声系数。可见, L3 有效地增加了工作频段内的增益,同时补偿了高频增益损失,使最大增益从15 dB提升至18 dB,这与本文式(12) 、式(13)和式(14)的分析是一致的。对比两条噪声系数曲线知,在3. 5 - 5 GHz频段内,噪声消除技术均提供了不同程度的噪声优化,最大噪声系数从大于3 dB下降至2. 84 dB,这与本文对图6的分析是一致的。,电路在4. 5 GHz取得- 12. 9 dBm 的IIP3。表1是超宽带LNA性能参数汇总及对比。表1 性能参数汇总及对比图7 S21和噪声系数仿真结果图8 S参数仿真结果图9 输入三阶截断点仿真结果4 结论本文基于SM IC 0. 18μm RF CMOS工艺,设计了可以工作于3～5 GHz频段的超宽带低噪声放大器。对电路的输入匹配和增益进行了分析,对噪声消除技术进行了推导。仿真结果表明,该放大器在工作频带内的各项指标满足超宽带系统应用。