在一個無線接收系統(tǒng)中，為了獲得良好的總體系統(tǒng)性能,，需要一個性能優(yōu)越的前端，而低噪聲放大器（LNA）就是前端的一個重要組成部分。
由于共源共柵級結(jié)構(gòu)能同時滿足噪聲和功率匹配的要求,，因此在LNA的設(shè)計中被廣泛采用。但共源級和共柵級之間的匹配是個關(guān)鍵問題,，筆者通過在其之間插入一個級間匹配電感,，使得這個問題得以解決。
低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)
低噪聲放大器作為射頻信號傳輸鏈路的第一級,，必須滿足以下要求：首先,具有足夠高的增益及接收靈敏度,；其次，具有足夠高的線性度,，以抑止干擾和防止靈敏度下降,；第三，端口匹配良好,，信號能夠有效地傳輸,。另外,還要滿足有效隔離、防止信號泄漏以及穩(wěn)定性等方面的要求,。
通常,，射頻電路端口要與50Ω阻抗匹配，為了滿足輸入端功率匹配條件,，一般采用源極串聯(lián)電感反饋匹配結(jié)構(gòu),，如圖1所示。圖2是該結(jié)構(gòu)的小信號圖,。
圖1 源極串聯(lián)電感反饋匹配結(jié)構(gòu)
圖2 源極串聯(lián)電感反饋匹配結(jié)構(gòu)的小信號圖
在圖1,、圖2中，Lg為柵極串連電感,，LS為源極串連電感,，Cgs為等效柵源電容。由圖2可得：
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當諧振時有：
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其中,，
這種結(jié)構(gòu)用電感來等效實電阻進行阻抗匹配，沒有引入過多的噪聲,，因此被廣泛采用,。
噪聲分析及優(yōu)化
低噪聲放大器中的噪聲主要包括溝道電流噪聲、感應(yīng)柵電流噪聲和柵電阻噪聲,，其小信號等效電路如圖3所示,。
圖3 小信號等效噪聲電路
其中，溝道電流噪聲是載流子和熱振動原子的隨機碰撞引起的,，其表達式為
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式中，gd0為漏源偏置為0時的漏極輸出電導(dǎo),； 為MOS管的跨導(dǎo),； 為與器件工藝和偏置相關(guān)的常數(shù)，值為2/3～2,；α=gm/gd0 ＜1,。
另外一個噪聲源是柵電阻噪聲,，通過多指狀柵的結(jié)構(gòu)縮減柵電阻的方法可以減小它,。
柵電流噪聲則是由于溝道載流子的擾動經(jīng)由柵電容耦合到柵極形成的，其表達式為
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其中,，
；δ表示柵噪聲系數(shù),，值在4/3～15/2之間,。
噪聲系數(shù)F定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值：
（5）
式中,，G表示功率增益,。這里的噪聲是指總的輸出噪聲與源阻抗在輸出端產(chǎn)生的噪聲的比值，因此我們得到這種結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)為
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（8）
式中,，RS為源阻抗,，RL和Rg分別是Lg的等效寄生電阻和MOS管的柵電阻。
在圖1中,，忽略了Cgd的影響,，但它的存在對電路的影響很大，因為輸出會通過它反饋到輸入,，一方面惡化噪聲性能,，另一方面促使電路不穩(wěn)定,。所以，要采用兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)來抑制柵漏電容,，這樣不僅提高了穩(wěn)定性,，改善了噪聲性能，還能提供較大增益,。不過最關(guān)鍵的就是在兩個MOS管M1和M2之間插入一個片上集成電感Lm,，如圖4所示。
圖4 共源共柵結(jié)構(gòu)的LNA
原因是M1和M2為單獨的管子,，它們之間存在較大的寄生電容,，影響了信號的傳輸，從而惡化噪聲系數(shù),。而加入的電感能加強他們之間的匹配,，使噪聲性能和增益有所改善。
根據(jù)不同的級間匹配電感值,，增益和噪聲的變化如圖5和圖6所示,。
圖5 不同電感值增益的變化
圖6 不同電感值噪聲的變化
由上圖的結(jié)果可知，當匹配電感的值取5nH時,，效果最理想,。
設(shè)計與仿真結(jié)果
本設(shè)計采用單端結(jié)構(gòu)，全單片集成,，具體電路見圖7,。
圖7 低噪聲放大器電路圖
整個設(shè)計基于了TSMC 0.35μm鍺硅射頻工藝模型。為了提高集成度,，所有的電感都采用片上集成電感,，為平面螺旋八邊形，用頂層金屬繞制而成,。輸出端采用的是LC槽電路,，諧振時阻抗很大，有選頻和提高增益的作用,。
為了降低功耗,，電源電壓為1.5V，工作頻率1.5G,，靜態(tài)功耗約為16.5mW,。用Cadence中spectreRF進行仿真，得到輸入反射系數(shù)（S11）和輸出反射系數(shù)（S22）分別為－7.4dB和－20.8dB,。
由于采用級間匹配電感,，中心頻率處的電路增益提高了約3dB，達17.7dB，提高了約20％,；噪聲系數(shù)降低了約 0.45dB,，為2.05dB，降低了約18％,，變化曲線如圖8和圖9所示,。
圖8 匹配前后的增益變化
圖9 匹配前后的噪聲變化
低噪聲放大器除了提供較低的噪聲，較高的增益外,，還需要有較好的線性度,，以避免較強信號的干擾。線性度一般用三階交調(diào)點（IP3）來衡量,，包括輸入三階交調(diào)點（IIP3）和輸出三階交調(diào)點（OIP3）,，可以采用雙音測試法來測量，即在輸入端加入兩個頻率相近幅值相等的兩個信號,，然后改變幅值來測量,，結(jié)果如圖10所示。輸入三階交調(diào)點（IIP3）約為5.2dBm,。
圖10 放大器的線性度（IIP3）