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1.8V5.2GHZ Differential CMOS Low Noise AmplifierLI Zhu,C HE N Zhi-hen,W A N GZhi-gong(InstituteofRF-& O E-ICs,S outheast U niv ersity,210096 ,China)Abstract: A differential cascade lo w noise am plifier(L N A)usinga standard0.18mC M O S process is described.Itprovides a forw ard gain(S21)of15.8dB.The simulation noise figure is1.4dB,while drawing24m Acurrent froma1.8V supply.Key words: C M O SL owNoiseA mplifier InductorEEACC: 1220 ;2570D1.8V5.2GHz差 分 结 构CMOS低 噪 声 放 大 器李 竹 ,陈志恒 ,王志功(东南大学射频与光电集成电路研究所 南京 210096)摘要 :无线接收机小型化及低成本的发展趋势 ,要求人们解决高集成度及低功率的问题 ,从而推动了将射频部分与基带电路部分实现单片集成的研究 ,我们给出了利用 0.18 mC M O S工艺设计的 5.2G H z低噪声放大器。在 1.8V电压下 ,工作电流为 24m A增益为 15.8dB噪声系数为 1.4dB。关键词 :C M OS工艺 ;低噪声放大器 ;集成螺旋电感中图分类号 :T N402 文献标识码 :A 文章编号 : 1005 - 9490(2004)01 - C M O S工艺具有成本低 ,集成度高的特点 ,使人们有可能实现无线通信系统的单片集成。随着特征尺寸的不断减小 ,深亚微米C M O S工艺中有源器件的特征频率已达到 50GH z以上 ,使得利用C M O S工艺实现GH z频段的高频模拟电路成为可能。本文描述采用 0.18mC M O S工艺实现 5GH z频段的低噪声放大电路。在射频接收电路中低噪声放大器是第一级有源电路 ,它所接收的信号 通常是非常微弱的。当该信号幅度可与叠加在其上的内部噪声幅度相比拟时 , 输出的有用信号就会有很强的噪声背景 ,甚至完全被噪声淹没。因此要求前级放大器具有最小的噪声系数。因为它的噪声系数决定了整个接收电路的噪声系数。衡量一个低噪声放大器的性能指标包括 : 最小噪声系数 ,适当的增益 ,满足 50 输入阻抗匹配同时该放大器必须是稳定的。本文分为三个部分 , 第一部分对放大器的噪声进行分析 ,并给出了等效小信号噪声模型。第二部分为电路模拟结果和版图。第三部分给出结论。1 放大器噪声的分析 低噪声放大器广泛采用共栅或共源共栅的结构。本设计采用比共栅极噪声系数小的共源共栅结构 , 通过减小密勒效应 ,提高反向隔离度。对于低噪声放大器的几个重要性能指标首先考虑输入阻抗匹配 , 通过在输入端源极与栅极各串联一个电感实现50 欧姆窄带匹配 ,如图 1 所示。由图 1 可知输入阻抗表达式Zin=s(Ls+Lg) + (1/sCgs) + (gm1/Cgs)Ls 当输入电路串联谐振时 ,输入阻抗呈纯实数且第 27 卷第 1 期2004 年 3 月 电 子 器 件Chinese Journal ofElectronDevices Vol. 27 ,N o. 1March. 2004收稿日期 :2003 - 12 - 10作者简介 :李 竹()女 ,东南大学无线电系硕士 ,; 王志功 , 男 , 东南大学无线电系教授 , 博士生导师 .图 1 共源共栅基本电路与Ls的值成正比。选择适当的Ls从而使得输入阻抗等于 50 欧姆 ,实现输入阻抗匹配。放大器的噪声主要包括外界引入的噪声和放大器的内部噪声 ,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 , 用N F表示 , 其定义为 :NF=电路总的输出噪声输入信号源在输出端产生的输出噪声如果放大器本身不产生噪声 ,则相应的N F等于 1 ,因此N F表明实际放大器输出端上信号功率对噪声功率的比值(信噪比)比无噪声放大器下降的倍数 ,其值恒大于 1。图 2 给出了标准的C M O S噪声模型。图 2 标准C M O S噪声模型C M O S器件的主要噪声源是沟道热噪声 ,沟道热噪声是白噪声 , 其功率谱密度为 :i2df= 4KTrgdo其中gdo是漏源电压为零的情况下器件的漏电导 ,r是沟道热噪声系数 , 是一个与偏置有关的系数。另一个噪声源是栅电阻噪声 ,其噪声模型等效为电阻与噪声电压源的串联 , 栅电阻Rg可表示为 :Rg=RW3n2LR为多晶硅方块电阻 ,W为器件栅宽 ,L为栅长 ,n为栅指数 , 由公式可知通过增大栅指数n可使Rg的值减小 , 从而尽量减小其对噪声的影响。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 , 但是在射频频段却不可忽视 , 我们称为感应栅噪声 ,用一并联的噪声电流源与一无噪声电阻表示 , 其噪声模型如图 3 所示 :图 3 栅噪声模型其数学表达式为 :gg=2C2gs5gdo ig2f= 4kTgg为工作频率 ,为栅噪声系数。由上面公式可知gg与 2成正比 ,因此栅噪声并不是白噪声源 ,随着频率的增加感应栅噪声的影响将越来越大 ,同时还需注意的是感应栅噪声与沟道噪声是部分相关的 ,c为相关系数 , 栅噪声可表示为相关与不相关两部分电流源之和。ig2f= 4kTgg| c |2+ 4kTgg(1 -| c |2)等式右边前面一项为相关项用ig2,c表示 ,后面一项为不相关项用ig2,u表示。根据上面的分析我们可以得到完整的小信号等效噪声模型 :图 4 M OSFE T小信号等效噪声模型根据以上噪声模型我们可以得到LN A的噪声系数为 :F= 1 +RgRs+ XgdoRsoT 21X=k+ = 2QL| c | 25+ 251 +QL2是沟道热噪 声系数 ,gdo是零 偏置情况下的漏 电导 ,Rs是源阻抗 ,T与 o分别为M O SFET的截止频率与电路的工作频率 ,X包括两项 :K表示沟道噪声与相关栅噪声部分 , 表示非相关栅噪声。Rg为栅电阻 .2 电 子器 件 第 27 卷2 电路模拟结果和版图 本次设计采用差分对结构 ,可以有效地抑制通过衬底耦合产生的共模噪声 ,这对版图的对称性也有较高的要求。为了实现最大增益 ,输入匹配是很重要的 ,C M OS工艺缺乏高Q值电感 ,这一点制约了一些高频电路的实现。本次电路的输入匹配栅极电感用高Q值的键合线来实现 ,而源极电感采用片内集成的螺旋电感。其等效电路如图 5 所示。图 5 片内集成电感等效电路对于LN A,其增益大小必须同时考虑混频器的噪声与线性度。L N A的增益太小不能有效地抑制后级混频器的噪声 , 但是增益太大 ,输入到后级混频器的信 号 会产 生大 的交 调信 号。一般 增 益在 10 到20dB是比较合适的。稳定性也是LN A的一个重要性能指标 ,我们采用稳定因子k来描述绝对稳定条件 :K=1 +|2-| S11|2-| S22|22| S12| | S21| =S11S22-S12S21当K 1 且| 1 且| 1 ,该电路是绝对稳定的。该电路各项性能指标 :电源电压静态功耗噪声系数S11 5 . 2G H zS22 5 . 2G H zS21 5 . 2G H zC M OSTechnologyDie area1 . 8V24m A1 . 5d B- 29d B- 32d B15 . 8d B0 . 18um1 . 1m m* 1 . 1m m3第 1 期 李 竹 ,陈志恒等 : 1.8V5.2G H z差分结构C M OS低噪声放大器 图 8 L N A版图 在版图设计时 , 必须注意版图的对称性 ,才能有效地抑制共模噪声。源极与负载电感采用在片集成电感 , 0.18mC M O S工艺电感采用顶层厚金属以提高电感Q值 , 但是由于寄生效应 ,在片集成电感的Q值比较低同时会引入额外的噪声。本次设计中在电感外围加了一圈地线保护环以降低衬底噪声。3 结 论 本次设计完成了采用IEEE802.11a标准的无线局域网W L AN前端电路低噪声放大器的设计 ,该放大器可工作在 5.2G Hz频段 , 其各项性能均满足指标要求 .参考文献 :1 D.S haefferandT.Lee,A1.5V,1.5G HzCM OSlo wnoiseamplifierJ .IEEE J.S olid-State Circuits, 1997 ,32(5) :745 - 759 .2 RF Circuit D esign-theory and applicationsM .PublishingHouse of Electronics Industry.3 Behzad Razavi,A2.4G HzCM OS Receiver for IEEE802.11W irelessL A NsJ .IEEEJ.Solid-StateCircuit,1999 ,34(10) : 1382 - 138 .4 N oise M o