基于CMOS LNAs器件实现低噪声放大器电路的设计

1 引 言

目前，在高达数GHz的RF频段范围内，广泛使用的是GaAs MESFET LNAs，其优点是能够在功率增益高达20 dB的同时，使噪声系数低至大约1 dB。但随着CMOS电路技术的成熟，近来对RF CMOS电路元件的研究成果越来越多，在无线通信系统上也已经实现了SoC化。如果CMOS制造技术能克服噪声大，功率损耗大等缺点，凭借其低廉的价格，CMOS LNAs将有可能在数GHz的RF频段范围内，逐渐取代GaAs MESFET LNAs。

由于LNAs通常位于整个接收电路的第一级，由式（1）可以看出，第一级的LNAs对于接收电路有很大的影响。所有在设计LNA电路时，应考虑降低噪声，提高增益，输入输出阻抗匹配，降低功率损耗，提高线性度等重要因素。

2 低噪声放大器电路设计

如图1所示，设计一个cascode型输入的低噪声放大器。图中Ls及Lg用来实现输入阻抗匹配，而调整Ld和Cout可以实现输出阻抗匹配。Cin可以用来阻止输入端的直流信号。

从输入部分电路可以计算出输入阻抗为：

调整Ls使得输入阻抗Zin实部为50 Ω，再调整Lg使得Zin虚部为0。如此即可调出Ls和Lg来实现电路的输入阻抗。但是由于分布参数的影响，Ls和Lg的值还必须代入仿真软件做进一步调整。

对于放大器的输出，由于放大器使用LC并联电路作为负载，所以当LC谐振在2.38 GHz时，理想的LC电路应呈现出开路状态，此时负载最大，增益也最大。但是电路的增益仍然受到电感和电容的Q值影响，所以在进行软件仿真时还需通过调整电感电容值来调整LNA的中心频率。

3 本LNA中无源器件的结构

由于此设计采用全集成化设计，所以无源器件都用CMOS工艺制作在芯片内部，即内嵌式（on-chip）。

3.1 电感结构

此电路中电感采用内嵌式螺旋电感。采用内嵌式电感可以节约面积，提高电路集成度，但是却牺牲了Q值，并且在CMOS工艺中电感的制备比较难以控制，所以在实际layout时将螺旋电感的中心拿掉，因为越接近核心，电荷密度越大，但核心部分对电感值的贡献不大，中心去掉不会对整个电感有太大影响，还可以提高Q值。

3.1.1 电容结构

此电路中采用MIM（metal-insulator-metal）电容，是平板电容的一种变形，如图3所示。这种电容的好处是容值较为固定，并且结构简单。相比一般平板电容，在上下级板中间多了一层CTM（Capacitor TopMetal）层，可以通过缩短两极板之间的距离来提高容值或缩小电容所占面积。

3.1.2 电阻结构

在当前的CMOS工艺中，根据不同的材料和制备工艺，常用的电阻有Well电阻、Poly电阻、Diffusion电阻和Metal电阻。各种电阻的导电层特性如下：

在设计的时候要注意，制作时电阻值越小误差越大，所以材料选择、使用面积和阻值误差等要综合考虑。

4 仿真设计

（1）确定设计目标。本文中电路工作在蓝牙系统中，工作频率为2.38 GHz，设计一个超低噪声以及超高增益的LNA电路。

（2）设计电路结构。本电路基本结构为cascode单级放大电路，再加上一些周边的匹配电路和电压偏置电路来构成LNA电路。

（3）本文使用安捷伦的ADS系统来做高频仿真，使用0.25μm的RF模型。主要仿真S参数、噪声系数、线性度、功率增益等LNA电路的重要参数。

（4）根据0.25μm制造工艺的layout规则来设计电路中的各个元件，并且尽量做到电路对称。

5 仿真结果

本文电路使用0.25μm制造工艺，电源电压2.5 V，工作频率2.38 GHz的全集成化单端LNA电路。

5.1 S参数仿真

图4是此电路在ADS中的仿真结果，图4（a）中S11是电路输入反射系数，为-12.203 dB；图4（b）中S12为电路的隔绝度（isolation），避免LNA下一级的反射信号影响到LNA输入端的信号，本电路中为-24.67 dB；图4（c）中S21表示电路的功率增益，其值为20.47 dB；图4（d）中S22为输出反射系数，大约为-22.33 dB。

5.2 线性度仿真

一般来说，一个系统的线性度越高越好，但是电路中含有晶体管等非线性有源器件，所以在LNA电路工作在较高功率时，输出会产生非线性失真。在仿真时，为了表示线性度，定义出一个1 dB点，表示输出相比输入压缩了1 dB。由图5中可以看出，1 dB点出现的越靠后，说明线性度越好。本电路仿真出的1 dB点在-25 dBm的位置。

5.3 噪声系数仿真

噪声系数是关系到一个放大器性能好坏的重要参数，其定义为输入信噪比和输出信噪比的比值：

其中：So为输出端的信号功率，Si为输入端的信号功率，Ni为输入端的噪声功率，No为输出端的噪声功率。图6为本电路仿真的噪声系数，大约为1.54 dB。

6 结语

设计射频电路的LNA，在开始设计的时候就要考虑很多因素，例如为了提高增益，便要增加功率消耗，为了与下一级耦合，可能会影响整个LNA性能。通过综合的平衡，才能设计出满足不同性能需求的低噪声放大电路。本文设计的电路，在提供20 dB高增益的同时，只有1.5 dB的噪声系数，达到了设计要求。

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