CMOS低噪聲放大器中的輸入匹配研究與設(shè)計(jì)

1、    CMOS低噪聲放大器中的輸入匹配研究與設(shè)計(jì)摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte 引言作為接收機(jī)的第一級，的性能對整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用，

2、因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的信噪比（）很大程度上取決于的噪聲系數(shù)（）和增益。因此，設(shè)計(jì)性能良好的成為射頻前端設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。由于低噪聲放大器的各個(gè)指標(biāo)常常會發(fā)生矛盾，彼此不能兼顧，因此設(shè)計(jì)是在噪聲系數(shù)、增益、穩(wěn)定性、阻抗匹配以及線性范圍等指標(biāo)之間采取折中考慮。最近很多射頻集成電路都是采用工藝來實(shí)現(xiàn)的，尤其是.的工藝很適于集成的設(shè)計(jì)-。目前最常見的輸入匹配結(jié)構(gòu)是源極電感負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有利于獲得高增益和低噪聲系數(shù)，但是存在較大的缺陷，即需要提供一個(gè)大感值的柵極電感（）。在實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)的工藝下集成實(shí)現(xiàn)一個(gè)大感值的片上螺旋電感往往比較困難，而采用片外電感又不利于實(shí)現(xiàn)電路的集成及小型化，并且由于大感值柵極電感的寄生阻

3、抗比較大，相應(yīng)地產(chǎn)生熱噪聲也會比較大。該文采用改進(jìn)型輸入匹配結(jié)構(gòu)，用一個(gè)并聯(lián)的小值網(wǎng)絡(luò)來代替電感值比較大的柵極電感，并從進(jìn)一步降低噪聲系數(shù)和簡化電路的角度考慮，移除源極負(fù)反饋電感（）。 理論分析傳統(tǒng)的輸入阻抗匹配結(jié)構(gòu)是源極電感負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，其輸入阻抗表達(dá)式為為滿足式（），柵極電感的感抗通常比較大。如前所述，從利于電路集成實(shí)現(xiàn)和降低噪聲系數(shù)的角度考慮，應(yīng)當(dāng)盡量避免使用大值電感。該設(shè)計(jì)采用一個(gè)小值并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來代替。圖是并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及其等效電路。如圖所示，在并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)電感為一個(gè)理想的感抗和一個(gè)電阻的串聯(lián)，其等效阻抗為 （為低噪聲放大器的中心工作根據(jù)式（），如果能滿足，那么的電感值將比大，并且隨趨近，將

4、產(chǎn)生更大的電感。這樣?xùn)艠O電感便可以用一個(gè)電感值較小的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來代替產(chǎn)生。在傳統(tǒng)輸入匹配結(jié)構(gòu)中，源極負(fù)反饋電感用來滿足阻抗匹配，但是它會產(chǎn)生熱噪聲并且不利于增益的提高。根據(jù)式（），引入并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)后，電感的寄生阻抗可以等效為一個(gè)比較大的阻抗來滿足輸入端的阻抗匹配。因此，移除雖然對輸入匹配性能稍稍產(chǎn)生不利影響，但是有利于降低噪聲系數(shù)并提高電路結(jié)構(gòu)的易集成度。改進(jìn)的輸入匹配結(jié)構(gòu)見圖，其輸入阻抗為（）（） （）式中： ， ， 的具體定義見文獻(xiàn)。由于電阻并不是一個(gè)實(shí)際的物理阻抗，而是由等效而來，因此其產(chǎn)生的熱噪聲比相同阻抗值的實(shí)際物理電阻產(chǎn)生的熱噪聲要小。這樣，通過移除并利用網(wǎng)絡(luò)小值寄生阻抗來進(jìn)行阻抗匹配，

5、可以進(jìn)一步降低的噪聲系數(shù)。 電路設(shè)計(jì)采用改進(jìn)的輸入匹配，基于.模型，設(shè)計(jì)出了適用于無線接收機(jī)用寬帶（.）低噪聲放大器的電路結(jié)構(gòu)。寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是提供足夠的增益來克服接收機(jī)以下幾級引入的噪聲干擾，而其自身的噪聲系數(shù)則要盡量低，同時(shí)還要具備好的輸入輸出阻抗匹配及良好的線性動態(tài)范圍。該設(shè)計(jì)采用兩級放大并采納改進(jìn)的輸入阻抗匹配結(jié)構(gòu)。的電感值為，的電容值為.，根據(jù)式（），（），該并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生的等效電感和的等效電阻，管和的柵寬為，根據(jù)式（），總的輸入阻抗約為。為進(jìn)一步提高的增益，選擇并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為第一級和第二級的負(fù)載阻抗，根據(jù)式（） （），可以確定負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的具體參數(shù)值 結(jié)果及討論基于改進(jìn)型輸入

6、匹配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作頻段為.的寬帶，低噪聲放大器的各項(xiàng)性能參數(shù)由（）仿真給出。圖給出輸入阻抗匹配參數(shù)以及增益仿真曲線。從圖中可以看出，移除源端負(fù)反饋電感對輸入匹配有一定的不利影響，但是一般低于的值即可滿足實(shí)際應(yīng)用。該在工作頻段.內(nèi)可以滿足低于，而.以下的工作頻段由于偏離值較多，對輸入阻抗匹配性能稍稍產(chǎn)生不利影響。因此，用小值并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)替代柵極大值電感，并移除源端負(fù)反饋電感，可以滿足良好的輸入阻抗匹配。該寬帶的增益在工作帶寬內(nèi)可以達(dá)到以上，滿足正常的增益放大需求。在.頻段內(nèi)，的噪聲系數(shù)為.（圖）。這樣低的噪聲系數(shù)在寬帶應(yīng)用中是可以被接受的。 圖是反向增益曲線，可以看出，工作頻帶內(nèi)反向增益參數(shù)為，根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)的定義當(dāng)且 時(shí)，將無條件穩(wěn)定，輸入輸出阻抗匹配良好時(shí)，只要降低反向增益的值即可增加穩(wěn)定系數(shù)值。因此該寬帶低噪聲放大器的穩(wěn)定性很好，這對于低噪聲放大器的正常工作是非常重要的。還有一個(gè)重要的性能參數(shù)，即線性度。圖為仿真結(jié)果壓縮點(diǎn)曲線圖，由圖可看出，約為，線性度良好，有利于不失真地對大信號進(jìn)行放大。 結(jié)語在對傳統(tǒng)源極電感負(fù)反饋輸入結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，利用一個(gè)小值并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)代替大感值的柵極電感，并從簡化電路和進(jìn)一步降低噪聲的角度考慮，移除源極負(fù)反饋電感。將改進(jìn)的輸入匹配應(yīng)用到適用于無線接