用ADS實現(xiàn)一個2.38 GHz全集成化低噪聲放大器
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1 引 言
目前，在高達數(shù)GHz的RF頻段范圍內(nèi)，廣泛使用的是GaAs MESFET LNAs，其優(yōu)點是能夠在功率增益高達20 dB的同時，使噪聲系數(shù)低至大約1 dB。但隨著CMOS電路技術(shù)的成熟，近來對RF CMOS電路元件的研究成果越來越多，在無線通信系統(tǒng)上也已經(jīng)實現(xiàn)了SoC化。如果CMOS制造技術(shù)能克服噪聲大，功率損耗大等缺點，憑借其低廉的價格，CMOS LNAs將有可能在數(shù)GHz的RF頻段范圍內(nèi)，逐漸取代GaAs MESFET LNAs。
由于LNAs通常位于整個接收電路的第一級，由式(1)可以看出，第一級的LNAs對于接收電路有很大的影響。所有在設(shè)計LNA電路時，應(yīng)考慮降低噪聲，提高增益，輸入輸出阻抗匹配，降低功率損耗，提高線性度等重要因素。
2 低噪聲放大器電路設(shè)計
如圖1所示，設(shè)計一個cascode型輸入的低噪聲放大器。圖中Ls及Lg用來實現(xiàn)輸入阻抗匹配，而調(diào)整Ld和Cout可以實現(xiàn)輸出阻抗匹配。Cin可以用來阻止輸入端的直流信號。
從輸入部分電路可以計算出輸入阻抗為：
調(diào)整Ls使得輸入阻抗Zin實部為50 Ω，再調(diào)整Lg使得Zin虛部為0。如此即可調(diào)出Ls和Lg來實現(xiàn)電路的輸入阻抗。但是由于分布參數(shù)的影響，Ls和Lg的值還必須代入仿真軟件做進一步調(diào)整。
對于放大器的輸出，由于放大器使用LC并聯(lián)電路作為負載，所以當(dāng)LC諧振在2.38 GHz時，理想的LC電路應(yīng)呈現(xiàn)出開路狀態(tài)，此時負載最大，增益也最大。但是電路的增益仍然受到電感和電容的Q值影響，所以在進行軟件仿真時還需通過調(diào)整電感電容值來調(diào)整LNA的中心頻率。
3 本LNA中無源器件的結(jié)構(gòu)
由于此設(shè)計采用全集成化設(shè)計，所以無源器件都用CMOS工藝制作在芯片內(nèi)部，即內(nèi)嵌式(on-chip)。
3.1 電感結(jié)構(gòu)
此電路中電感采用內(nèi)嵌式螺旋電感。采用內(nèi)嵌式電感可以節(jié)約面積，提高電路集成度，但是卻犧牲了Q值，并且在CMOS工藝中電感的制備比較難以控制，所以在實際layout時將螺旋電感的中心拿掉，因為越接近核心，電荷密度越大，但核心部分對電感值的貢獻不大，中心去掉不會對整個電感有太大影響，還可以提高Q值。
3.1.1 電容結(jié)構(gòu)
此電路中采用MIM(metal-insulator-metal)電容，是平板電容的一種變形，如圖3所示。這種電容的好處是容值較為固定，并且結(jié)構(gòu)簡單。相比一般平板電容，在上下級板中間多了一層CTM(Capacitor TopMetal)層，可以通過縮短兩極板之間的距離來提高容值或縮小電容所占面積。
3.1.2 電阻結(jié)構(gòu)
在當(dāng)前的CMOS工藝中，根據(jù)不同的材料和制備工藝，常用的電阻有Well電阻、Poly電阻、Diffusion電阻和Metal電阻。各種電阻的導(dǎo)電層特性如下：
在設(shè)計的時候要注意，制作時電阻值越小誤差越大，所以材料選擇、使用面積和阻值誤差等要綜合考慮。
4 仿真設(shè)計
(1)確定設(shè)計目標(biāo)。本文中電路工作在藍牙系統(tǒng)中，工作頻率為2.38 GHz，設(shè)計一個超低噪聲以及超高增益的LNA電路。
(2)設(shè)計電路結(jié)構(gòu)。本電路基本結(jié)構(gòu)為cascode單級放大電路，再加上一些周邊的匹配電路和電壓偏置電路來構(gòu)成LNA電路。
(3)本文使用安捷倫的ADS系統(tǒng)來做高頻仿真，使用0.25μm的RF模型。主要仿真S參數(shù)、噪聲系數(shù)、線性度、功率增益等LNA電路的重要參數(shù)。
(4)根據(jù)0.25μm制造工藝的layout規(guī)則來設(shè)計電路中的各個元件，并且盡量做到電路對稱。
5 仿真結(jié)果
本文電路使用0.25μm制造工藝，電源電壓2.5 V，工作頻率2.38 GHz的全集成化單端LNA電路。
5.1 S參數(shù)仿真
圖4是此電路在ADS中的仿真結(jié)果，圖4(a)中S11是電路輸入反射系數(shù)，為-12.203 dB；圖4(b)中S12為電路的隔絕度(isolation)，避免LNA下一級的反射信號影響到LNA輸入端的信號，本電路中為-24.67 dB；圖4(c)中S21表示電路的功率增益，其值為20.47 dB；圖4(d)中S22為輸出反射系數(shù)，大約為-22.33 dB。
5.2 線性度仿真
一般來說，一個系統(tǒng)的線性度越高越好，但是電路中含有晶體管等非線性有源器件，所以在LNA電路工作在較高功率時，輸出會產(chǎn)生非線性失真。在仿真時，為了表示線性度，定義出一個1 dB點，表示輸出相比輸入壓縮了1 dB。由圖5中可以看出，1 dB點出現(xiàn)的越靠后，說明線性度越好。本電路仿真出的1 dB點在-25 dBm的位置。
5.3 噪聲系數(shù)仿真
噪聲系數(shù)是關(guān)系到一個放大器性能好壞的重要參數(shù)，其定義為輸入信噪比和輸出信噪比的比值：
其中：So為輸出端的信號功率，Si為輸入端的信號功率，Ni為輸入端的噪聲功率，No為輸出端的噪聲功率。圖6為本電路仿真的噪聲系數(shù)，大約為1.54 dB。
6 結(jié)語
設(shè)計射頻電路的LNA，在開始設(shè)計的時候就要考慮很多因素，例如為了提高增益，便要增加功率消耗，為了與下一級耦合，可能會影響整個LNA性能。通過綜合的平衡，才能設(shè)計出滿足不同性能需求的低噪聲放大電路。本文設(shè)計的電路，在提供20 dB高增益的同時，只有1.5 dB的噪聲系數(shù)，達到了設(shè)計要求。
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