基于噪声抵消和线性度提高的差分LNA的设计

纪 娜，何国荣

0 引言

低噪声放大器(LNA)是射频接收机前端的主要部件。由于其位于接收机前端,所以它需要有较低的噪声系数,并具有足够的增益来抑制后面各级噪声对系统的影响,同时要求有一定的线性度来保证不失真的接收射频信号,另外为了达到功率最大传输或最小的噪声系数,LNA的输入阻抗应该与前端源阻抗匹配。

由于电感负反馈的共源LNA优越的噪声特性，得到了广泛的应用[1-3]。共栅LNA能够很容易地实现输入阻抗的匹配，但是却具有较差的噪声性能[4]，交叉耦合电容技术能够降低共栅LNA结构中的栅极对输出端口的噪声贡献，从而优化噪声特性[5]，然而在共源共栅 LNA中，共栅晶体管源端的寄生电容会对整个LNA的噪声特性造成影响。本文中，引入一对电感与交叉耦合电容相连，消除了共栅极噪声，一定程度上提高了LNA的线性度和增益。

1 噪声抵消

本文设计了一种差分形式的LNA，电路图如图1所示：

图1 提出的LNA电路结构

Lg，Ls主要完成输入端口的匹配，输出端增加一个电阻Rd以提高电路的稳定度，Rd，Ld，Cout1和Cout2完成输出端口的匹配，Cb，Cout1用于隔离直流信号，Vdd是电源接点，Vb1、Vb2分别为 M1、M2提供偏置电压。为了抵消共栅晶体管产生的噪声，并提高LNA的线性度，在图1的X点处引入一对交叉耦合的电容Cc，其电容值远远大于M2栅源极之间的寄生电容 Cgs2，并在 M2的栅极加入一对电感 Ladd，此改进技术如图1中虚线所示[6]。

在工作频率ω0下，图1中X点处的等效输入电导为公式（1）：

其中gm2为M2的跨导。

在ωCc远远大于ωCgs2-(1/ωLadd)的情况下，X点处的等效输入电纳为公式（2）：

其中Csb2为M2源极对衬底之间的寄生电容，Cgd1为M1栅漏极之间的寄生电容，Cdb1为M1漏极对衬底之间的寄生电容。当等效电纳等于0时，X点处的寄生电容效应就可被消除，如公式（3）：

引入此技术后得到的LNA的噪声系数为[6]公式（4）：

其中F1为M1的噪声，Fc为M2的噪声，Rs为源阻抗，C2为M5与偏置相关的参数，gd02为M2管零偏时的漏极电导，ωT是截止频率。

由此可见，当满足式(3)时，可使等效电纳等于 0，从而共栅管的噪声Fc可被消除掉[7]。

2 线性度提高

对于共源共栅结构的LNA，线性度主要取决于共源级晶体管，然而当共源级的电压增益较大时，共栅级将对整个LNA的线性度起主要影响。为了在高增益下得到较高的线性度，必须提高共栅级的线性度。引入交叉耦合电容和电感技术的 LNA就可消除共栅级对线性度的影响。改进后的LNA的输出电流为公式（5）

其中i1为共源级的输出电流，Vgs2为 M2的栅源极间电压，且公式（6）

若满足远大于ωCc远远大于ωCgs2-(1/ωLadd)且电感Ladd和X点处的寄生电容在工作频率处共振，如公式（7）：

进而得公式（8）

可得出LNA的线性度只取决于共源级，共源级并不影响LNA的线性度。

3 增益提高

在输入阻抗匹配的情况下，传统的电感负反馈共源共栅结构的LNA的增益为公式（9）

其中公式（10）

式中Qin为LNA输入网络的品质因数；Z0为LNA电路的输出阻抗；CX是图1中X点处的总寄生电容。当采用图1虚线部分所示的技术后，共源结构的LNA的增益变为公式（11）

当BeffX等于0时，LNA的增益为公式（12）

可以看出，与式（9）相比，增益得到了一定程度的提高。

4 LNA仿真结果

电路设计采用了 TSMC 0.18µm CMOS工艺库，使用ADS2009软件进行电路的仿真和优化。小信号S参数如图2所示：

图2(a)S11,S22随频率的变化关系

图2(b)S21,S12随频率的变化关系

从图中可以看出，在工作的中心频率 2.45GHz处，S21为17.8dB，表现出较高的增益；S11和S22分别小于-30dB和-35dB，表明端口反射较小；S12小于-40dB，表明反向隔离度较高；噪声系数随频率的变化曲线如图3所示：

图3 噪声系数随频率的变化关系

在中心频率点2.45GHz的噪声系数为 1.3dB；使用双音测量法测量输入三阶交调点IIP3，输入射频功率为-40dBm，输出频谱如图4所示：

图4 双音测量法输出频谱

可得IIP3=-40+(-25.9-(-104.1))/2=-0.9dBm，表现出电路较高的线性度，在 1.8V电源电压供电的情况下，功耗为9.36mW，小于10mW。

5 结论

设计了一个中心频率为 2.45GHz的差分低噪声放大器。主要考虑传统的共源共栅结构 LNA的共栅级对 LNA的噪声、增益和线性度的影响。通过在共栅级上引入一对交叉耦合电容和电感，以消除共栅级的噪声并提高放大器的线性度和增益。仿真结果显示，在 2.45GHz时，整个电路能够提供 17.8dB的正向功率增益，噪声系数为 1.3dB，IIP3为-0.9dBm，直流功耗 9.36mW，同时输入输出匹配和反向隔离性能良好。

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