浅谈集成电路的设计

杨 波

无线通信科技产业被认为是21世纪最具有潜力的产业, IEEE 802.11a的传输速率最高为54Mbit/s,且CMOS成本较低,技术成熟,可以和基频电路相结合成为单系统芯片, 成为射频收发器(Transceiver)的发展趋势.随着CMOS工艺特征尺寸的不断减小,MOS场效应管的截止频率已经超过100 GHz,这使得CMOS工艺成为射频集成电路设计的一个重要选择。为了提高市场竞争力,采用具有高集成度、低成本、低功耗和易于集成等优点的CMOS工艺进行高速电路和射频电路设计成为了近年来集成电路设计的热点。

1.射频LNA的原理

为了提高低噪声放大器电路隔离度及增益,电路结构选定共源共栅cascode[1]和源极电感负反馈结构作为放大器结构。共源共栅结构中的共源管M1作为主放大管给电路提供足够的增益,共栅管M2用来减小共源管的Cgd引起的密勒效应以及增强整个电路的反向隔离性能。共源管M1所需的直流偏置电路由电流镜构成。LNA的匹配网络可以用纯电阻网络,也可以用电抗网络。电阻匹配网络适合于宽带放大[2],但它们要消耗功率并增加噪声。采用无损耗的电抗匹配网络不会增加噪声,但是只适合窄带放大。

LNA的匹配方式大致可以分成四种形式,采用了其中的电感负反馈,避免了在信号的传输通道上出现热噪声电阻,这样就大大降低了电路的噪声。LNA 的噪声性能决定了整个接收器的灵敏度, 因此所设计的LNA 应该具有尽可能小的噪声系数F(或NF = 10log F)

F ≡( S/ N) in/( S/ N) out=Total output noise power/Output noise power by source impedance

放大器的噪声主要包括外界环境引入的噪声和放大器内部产生的噪声,其内部噪声主要是电阻等有耗元件和有源器件产生的。噪声系数是评价放大器噪声性能好坏的指标,MOS管的噪声分三种:沟道热噪声、栅电阻噪声和栅电流噪声。下面将分别介绍这三种噪声。

沟道热噪声:长沟道CMOS器件的噪声源主要是沟道热噪声,沟道热噪声是白噪声,通常用一个并联在源漏之间的电流源来表示。

栅电流噪声:由于沟道载流子的热扰动,使得其通过栅电容耦合至栅极,形成栅电流噪声。在低频频段这个噪声源是可以忽略的,但是在高频频段内,由于分布参数的影响,栅阻抗不再呈现低频时的纯容性,而是发生了一定的相移,我们可以用一个并联的噪声电流源与一个无噪声电阻表示。

栅电阻噪声:另一个噪声源是栅极分布的多晶硅电阻的噪声,其噪声模型等效为一电阻

与一噪声电压源的串联。

2.CMOS LNA的电路设计

低噪声放大器(LNA)作为射频信号传输链路的第一级,它的噪声系数特性决定了整个射频电路前端的噪声性能,因此作为高性能射频接收电路的第一级LNA的设计必须满足系统[3]:①提供足够的增益以减小LNA后续电路对系统的噪声影响。但是LNA的增益也不能太大,否则没有被通道滤波器滤除的大干扰信号可能会超过混频器的线性范围。②产生尽可能少的噪声和信号失真。③提供输入输出端的50欧姆阻抗匹配,尽量减少外接元件,力求增益与外接元件无关。④保证信号的线性度。⑤接收机接收的信号强度从-120 dBm到-20 dBm[4]。在LNA设计中,应力求上述各性能指标达到最优,但通常较难实现。在实际设计中,这些性能指标会相互牵制、影响甚至矛盾;因此在进行LNA设计时,如何采用折衷原则兼顾各项指标是尤为重要的。噪声匹配与阻抗匹配通常不一致,如果只考虑噪声优化,常常无法获得所需的增益和阻抗匹配,同时功耗也是一个重要的制约因素。因此,一个各项性能参数都能满足要求的LNA , 必然是各性能参数间的合理折衷的结果。

理论计算的参数虽然和电路实际参数相比会有一定误差,但是基本在同一数量级[5]。

参考文献

[1] Ismail A, Abidi A. A 3 to 10 GHz LNA using a wide-band LC-ladder matching network [A]. IEEE ISSCCDig Tech Papers [C]. San Francisco, CA, USA.2004. 384-385.

[2]Bruccoleri F. Noise canceling in wideband CMOSLNA's [A]. IEEE ISSCC Dig Tech Papers [C]. SanFrancisco, CA, USA. 2002. 406-407.

[3]Pietro Andreani, Henrik Sjoland.Noise optimization of an inductively degenerated CMOS low noise amplifier [J]. IEEE Trans. On Circuits and Systems, 2001, 48 (9): 835-841.

[4]陶蕤,王志功,谢婷婷,陈海涛.2.9GHz 0.35μm CMOS低噪声放大器[J].电子学报,2001,11(29):1530-1532.

[5]Hung-Wei Chiu, Shey-Shi Lu, et al. “A 2.17-dB NF 5GHz Band Monolithic CMOS LNA With 10-mW DC Power Consumption” [J], IEEE TMTT, Vol. 53, No. 3, Mar. 2005.

收稿日期:2009-10-19