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[摘要]介绍在功耗约束条件下低噪声放大器最小噪声系数的一种设计和优化方法。该放大器通过0.18um CMOS工艺设计实现,其工作频率为2.14GHz。仿真结果表明,在输入输出匹配到50欧姆,电源电压取1.8伏情况下,直流工作电流为5.36毫安,噪声系数为0.655dB,增益为16.64dB,P-1dB为-12dBm,IIP3为6dBm。版图面积为0.37mm*0.58mm。
[关键词]CMOS RFIC 低噪声放大器 噪声系数 线性度
中图分类号:TN4文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0910129-01
一、引言
无线通信应用的迅速发展,尤其是3G时代的到来,极大地推动了射频集成电路(RFIC)的设计研究。亚微米、深亚微米技术的不断发展,使得Si基CMOS工艺在数GHz 频段上的RFIC基本上可与GaAs RFIC一争高下,其本身又具有低价格、低功耗和高集成度的特点以及和基带数字电路的工艺相兼容最终可以实现片上系统(SOC)的特点。因此,用Si CMOS工艺实现RFIC成为近年来国际上的热点研究领域。
低噪声放大器(Low Noise amplifier)是无线通信系统射频接收机前端的关键模块[1]。对低噪声放大器的要求是:(1)低噪声系数;(2)足够的增益(系统线性度允许下);(3)线性度好;(4)功耗尽可能小;(5)良好的输入输出阻抗匹配。这几个因素很难在设计时同时实现,因此设计时应综合考虑,在它们之间进行折衷。本文所设计的低噪声放大器采用0.18um CMOS工艺,工作频率为2.14GHz。仿真结果表明,在输入输出匹配到50欧姆,电源电压取1.8伏情况下,直流工作电流为5.36毫安,噪声系数为0.655dB,增益为16.64dB,P-1dB为-12dBm,IIP3为6dBm。该放大器可用于第三代移动通信和无线接入系统。
二、MOS器件噪声模型分析
MOS晶体管的噪声主要来源于沟道热噪声和感应栅噪声。沟道热噪声可用噪声电流源表示:
其中: 表示沟道热噪声系数, 表示漏极偏置为0时的漏源电导。
由于MOS管的栅极是容性的,沟道载流子电荷的扰动会耦合到栅上,在栅上产生噪声电流,称此为感应栅噪声,并用一个噪声电流源来表示如下式:
三、电路结构设计实现和版图考虑
本设计采用共源共栅(cascode)结构和在一定功耗限制下的噪声与输入功率匹配(PCSNIM)技术,这种结构可以大大改善输入级和输出级的隔离度,因而抑制了后级混频器向前级的反向泄漏,且使调谐输入输出间相互影响变小,较易实现匹配。
设计时,由于在功耗约束条件下,功率匹配和噪声匹配很难同时实现,PCSNIM技术通过在栅源之间并联一个电容,通过改变栅源总电容Cex,较易使噪声匹配Zopt和功率匹配条件Zin尽可能的接近。通过调节Cex,可以改善NF,但同时增益会有所下降,设计时应折衷考虑。输入端采用了电感负反馈结构进行匹配,其最大的好处就是不必引入一个真正的电阻(否则,噪声性能会严重恶化),从而既实现了阻抗匹配,又满足了LNA的低噪声要求。该结构输入端需要两个电感实现输入匹配,其中栅极电感Lg用来使输入回路在工作频率附近产生谐振,以抵消输入阻抗的虚部。源极电感Ls用来调谐产生输入阻抗的实部50欧,但该实部不是真正的电阻,因而没有噪声。
在谐振频率处,忽略 和 ,输入阻抗可表示如下:
源端的影响。
匹配时,Zin=50,所以只要确定了管子参数和工作频率,通过(4)(5)两式就可以确定Lg和Ls的值。
在功耗和偏置一定的情况下,M1总栅宽是一定的,M2栅宽通常取M1的一半至一倍左右。为减小偏置电路的功耗,偏置管M0选取为主放大管M1的几分之一。Rbias应选取足够大以减小偏置电路的噪声电流,这里选为50千欧。电阻Rref用来调节输入级晶体管M1的栅源电压和漏极电流以决定静态功耗。
功耗约束前提下,管子的选择要综合考虑噪声,功耗以及线性度等指标。然后通过公式(4)(5),得出Ls和Lg的值。考虑到CMOS工艺中片内电感Q值较低并占面积较大等问题,栅极电感可采用键合线加片外电感(Murata公司生产)方式实现;源极电感值较小,直接用Q值较高的键合线实现。输出端通过Ld,C1,C2调谐输出阻抗匹配和增益,他们均采用片内元件实现。
四、结论
本文利用TSMC0.18um CMOS工艺设计了单端低噪声放大器,通过采用PCSNIM技术,同时实现了功率匹配和噪声匹配。分析表明,该放大器具有良好的输入和输出匹配,极低的噪声系数,同时提供了适当的增益和较好的线性度,能够应用于第三代移动通信和无线局域网。
参考文献:
[1]T.H.LEE,The design of CMOS Radio Frequency Integrated Circuits.Cambridge.
[2]Bing Wang,James R.Hellums and Charles G.Sodini,"MOSFET thermal noise modeling for analog integrated circuits".
作者简介:
于沈华(1984-),男,汉族,河南洛阳人,洛阳市劳动就业培训中心工作;李继东(1983-),男,汉族,河南科技大学林业职业学院助理讲师。
[关键词]CMOS RFIC 低噪声放大器 噪声系数 线性度
中图分类号:TN4文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0910129-01
一、引言
无线通信应用的迅速发展,尤其是3G时代的到来,极大地推动了射频集成电路(RFIC)的设计研究。亚微米、深亚微米技术的不断发展,使得Si基CMOS工艺在数GHz 频段上的RFIC基本上可与GaAs RFIC一争高下,其本身又具有低价格、低功耗和高集成度的特点以及和基带数字电路的工艺相兼容最终可以实现片上系统(SOC)的特点。因此,用Si CMOS工艺实现RFIC成为近年来国际上的热点研究领域。
低噪声放大器(Low Noise amplifier)是无线通信系统射频接收机前端的关键模块[1]。对低噪声放大器的要求是:(1)低噪声系数;(2)足够的增益(系统线性度允许下);(3)线性度好;(4)功耗尽可能小;(5)良好的输入输出阻抗匹配。这几个因素很难在设计时同时实现,因此设计时应综合考虑,在它们之间进行折衷。本文所设计的低噪声放大器采用0.18um CMOS工艺,工作频率为2.14GHz。仿真结果表明,在输入输出匹配到50欧姆,电源电压取1.8伏情况下,直流工作电流为5.36毫安,噪声系数为0.655dB,增益为16.64dB,P-1dB为-12dBm,IIP3为6dBm。该放大器可用于第三代移动通信和无线接入系统。
二、MOS器件噪声模型分析
MOS晶体管的噪声主要来源于沟道热噪声和感应栅噪声。沟道热噪声可用噪声电流源表示:
其中: 表示沟道热噪声系数, 表示漏极偏置为0时的漏源电导。
由于MOS管的栅极是容性的,沟道载流子电荷的扰动会耦合到栅上,在栅上产生噪声电流,称此为感应栅噪声,并用一个噪声电流源来表示如下式:
三、电路结构设计实现和版图考虑
本设计采用共源共栅(cascode)结构和在一定功耗限制下的噪声与输入功率匹配(PCSNIM)技术,这种结构可以大大改善输入级和输出级的隔离度,因而抑制了后级混频器向前级的反向泄漏,且使调谐输入输出间相互影响变小,较易实现匹配。
设计时,由于在功耗约束条件下,功率匹配和噪声匹配很难同时实现,PCSNIM技术通过在栅源之间并联一个电容,通过改变栅源总电容Cex,较易使噪声匹配Zopt和功率匹配条件Zin尽可能的接近。通过调节Cex,可以改善NF,但同时增益会有所下降,设计时应折衷考虑。输入端采用了电感负反馈结构进行匹配,其最大的好处就是不必引入一个真正的电阻(否则,噪声性能会严重恶化),从而既实现了阻抗匹配,又满足了LNA的低噪声要求。该结构输入端需要两个电感实现输入匹配,其中栅极电感Lg用来使输入回路在工作频率附近产生谐振,以抵消输入阻抗的虚部。源极电感Ls用来调谐产生输入阻抗的实部50欧,但该实部不是真正的电阻,因而没有噪声。
在谐振频率处,忽略 和 ,输入阻抗可表示如下:
源端的影响。
匹配时,Zin=50,所以只要确定了管子参数和工作频率,通过(4)(5)两式就可以确定Lg和Ls的值。
在功耗和偏置一定的情况下,M1总栅宽是一定的,M2栅宽通常取M1的一半至一倍左右。为减小偏置电路的功耗,偏置管M0选取为主放大管M1的几分之一。Rbias应选取足够大以减小偏置电路的噪声电流,这里选为50千欧。电阻Rref用来调节输入级晶体管M1的栅源电压和漏极电流以决定静态功耗。
功耗约束前提下,管子的选择要综合考虑噪声,功耗以及线性度等指标。然后通过公式(4)(5),得出Ls和Lg的值。考虑到CMOS工艺中片内电感Q值较低并占面积较大等问题,栅极电感可采用键合线加片外电感(Murata公司生产)方式实现;源极电感值较小,直接用Q值较高的键合线实现。输出端通过Ld,C1,C2调谐输出阻抗匹配和增益,他们均采用片内元件实现。
四、结论
本文利用TSMC0.18um CMOS工艺设计了单端低噪声放大器,通过采用PCSNIM技术,同时实现了功率匹配和噪声匹配。分析表明,该放大器具有良好的输入和输出匹配,极低的噪声系数,同时提供了适当的增益和较好的线性度,能够应用于第三代移动通信和无线局域网。
参考文献:
[1]T.H.LEE,The design of CMOS Radio Frequency Integrated Circuits.Cambridge.
[2]Bing Wang,James R.Hellums and Charles G.Sodini,"MOSFET thermal noise modeling for analog integrated circuits".
作者简介:
于沈华(1984-),男,汉族,河南洛阳人,洛阳市劳动就业培训中心工作;李继东(1983-),男,汉族,河南科技大学林业职业学院助理讲师。