CMOS低噪聲放大器中的輸入匹配研究與設計

1、    CMOS低噪聲放大器中的輸入匹配研究與設計摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結構、設計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設計和仿真驗證。仿真結果表明，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)。關鍵詞：Butte 引言作為接收機的第一級，的性能對整個接收機系統(tǒng)的性能起著至關重要的作用，

2、因為整個系統(tǒng)的信噪比（）很大程度上取決于的噪聲系數(shù)（）和增益。因此，設計性能良好的成為射頻前端設計的重要目標。由于低噪聲放大器的各個指標常常會發(fā)生矛盾，彼此不能兼顧，因此設計是在噪聲系數(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現(xiàn)的，尤其是.的工藝很適于集成的設計-。目前最常見的輸入匹配結構是源極電感負反饋結構，該結構有利于獲得高增益和低噪聲系數(shù)，但是存在較大的缺陷，即需要提供一個大感值的柵極電感（）。在實際標準的工藝下集成實現(xiàn)一個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，相應地產(chǎn)生熱噪聲也會比較大。該文采用改進型輸入匹配結構，用一個并聯(lián)的小值網(wǎng)絡來代替電感值比較大的柵極電感，并從進一步降低噪聲系數(shù)和簡化電路的角度考慮，移除源極負反饋電感（）。 理論分析傳統(tǒng)的輸入阻抗匹配結構是源極電感負反饋結構，其輸入阻抗表達式為為滿足式（），柵極電感的感抗通常比較大。如前所述，從利于電路集成實現(xiàn)和降低噪聲系數(shù)的角度考慮，應當盡量避免使用大值電感。該設計采用一個小值并聯(lián)網(wǎng)絡來代替。圖是并聯(lián)網(wǎng)絡及其等效電路。如圖所示，在并聯(lián)網(wǎng)絡中，假設電感為一個理想的感抗和一個電阻的串聯(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。這樣柵極電感便可以用一個電感值較小的并聯(lián)網(wǎng)絡來代替產(chǎn)生。在傳統(tǒng)輸入匹配結構中，源極負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)絡后，電感的寄生阻抗可以等效為一個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)并提高電路結構的易集成度。改進的輸入匹配結構見圖，其輸入阻抗為（）（） （）式中： ， ， 的具體定義見文獻。由于電阻并不是一個實際的物理阻抗，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)絡小值寄生阻抗來進行阻抗匹配，

5、可以進一步降低的噪聲系數(shù)。 電路設計采用改進的輸入匹配，基于.模型，設計出了適用于無線接收機用寬帶（.）低噪聲放大器的電路結構。寬帶低噪聲放大器設計的關鍵是提供足夠的增益來克服接收機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。該設計采用兩級放大并采納改進的輸入阻抗匹配結構。的電感值為，的電容值為.，根據(jù)式（），（），該并聯(lián)網(wǎng)絡會產(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。為進一步提高的增益，選擇并聯(lián)網(wǎng)絡作為第一級和第二級的負載阻抗，根據(jù)式（） （），可以確定負載網(wǎng)絡的具體參數(shù)值 結果及討論基于改進型輸入

6、匹配結構設計的工作頻段為.的寬帶，低噪聲放大器的各項性能參數(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際應用。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)絡替代柵極大值電感，并移除源端負反饋電感，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)的定義當且 時，將無條件穩(wěn)定，輸入輸出阻抗匹配良好時，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。還有一個重要的性能參數(shù)，即線性度。圖為仿真結果壓縮點曲線圖，由圖可看出，約為，線性度良好，有利于不失真地對大信號進行放大。 結語在對傳統(tǒng)源極電感負反饋輸入結構分析的基礎上加以改進，利用一個小值并聯(lián)網(wǎng)絡代替大感值的柵極電感，并從簡化電路和進一步降低噪聲的角度考慮，移除源極負反饋電感。將改進的輸入匹配應用到適用于無線接