- 功耗限制条件下噪声最优化的低噪声放大器的设计

MOS管的沟道宽度和长度确定后，可以对放人器进行直流静态工作点分析，确定M1管的直流参数：gml=4．93×10-2A／V，cgsl=2.30×10-13F，Cgdl=O.71×10-13F。根据(11)和(12)式可计算出：Lt≈0.275nH，Lg1+Lg2≈18.86nH。在后面的电路仿真中，对器件参数做了微调，最终取Ls=0.43nH，Lg1=Lg2=8.89nH，这与理论计算非常接近。Lt与M2漏极的等效电容谐振在2.4GHz下，M2漏极的等效电容可由直流静态工作点仿真分析得到：Cdd2=0.76x10-13F，从而可算出Lt≈6nH。为了与50Ω的输出负载电阻匹配，由输出阻抗的Smith圆图可确定cb2=o.7pF，CL=O.6pF。

1.3 电压增益

LNA的电压增益主要由输入级的总跨导和输出端的负载决定[7-8]。图2所示的是LNA基本电路的小信号等效电路(这里忽略了，沟道调制效应的影响)。其中兄RS为信号源内阻，Rl=ωTLs是LNA输入阻抗的实部，R2≈Q′Lω0Lt是输出阻抗的实部，Q′L为电感Lt的品质因子，ωT是M1的截止频率。当输入、输出回路谐振在工作频率ωo时，由图2可得到输入回路的总跨导为：
 

M1的小信号电流glmlVin一部分流过M2，另一部分流过M1漏极的等效电容Cl(C1=Cdb1+Csb2)。流过M2的电流为：

当输出端电感Lt与M2的漏极总电容C2谐振在工作频率时，则电压增益为：
 

因此，增大晶体管的跨导和电感的Q′L值能有效地提高增益。另外，源极负反馈电感Ls的取值对增益也有影响。一般可以采用增大静态电流和晶体管尺寸的方法增大跨导，但应考虑电路功耗的限制。本文设计的LNA采用的电感均为CMOS工艺的片内螺旋电感，Q′L值都不高，所以应选用Q′L值高的螺旋电感以提高增益。

2 模拟结果

电路中所有元件取自Chater公司0.25μmCMOS RF工艺库，并全部集成在芯片内部。使用Cadence的Spec-tre进行了模拟分析。LNA的S参数如图3所示，由图可知，模拟显示该放大器的功耗为16mW，正向增益S21在2.4GHz频率时最大值为15dB，反射系数S11小于-23dB，S22小于-20dB。由此说明低噪声放大器实现了与输入、输出端口的良好匹配，并能取得较大的增益。噪声系数的频率响应如图4所示，NF在2.4GHz处取得最小值2.7dB。对线性度进行了模拟，LNA的1dB压缩点如图5所示，1dB压缩点为-10.5dBm。表1列出了低噪声放大器的模拟结果。

本文详细介绍了功耗限制条件下噪声最优化的低噪声放大器的设计方法，并采用0.251μmCMOS RF工艺设计了一种2.4GHz低噪声放大器。模拟结果表明，采用2.5V电源时，功耗为16mW，在2.4GHz工作频率下，正向增益S21可达15dB，反射参数S11小于-23dB，S22小于-20dB，噪声系数NF为2.7dB。