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ghz cmos 有源 负载 低噪声放大器

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0239、1.8 GHz CMOS 有源负载低噪声放大器,ghz,cmos,有源,负载,低噪声放大器

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第28卷 第3期2005 年 9 月电 子 器 件C hinese Journal of E lectron D evicesV ol.28 N o.3Sep. 2005ACMOSLowNoise Amplifier at 1.8GHzwith ActiveInductor LoadWANG Liang-jiang,FENGQuan-yuan(Instituteof Micro-electronics, Southwest Jiaotong University, Chendu 610031, China )Abstract:A 1.8GHz CM OS low noise am plifier(LN A ) with transform er-type active inductor load is pre-sented. For large inductancevalue, thequality-factor (Q) ofan on-chip passiveinductoriscom m only low.H ence, the purposeofthisw ork is to verify thevalidity ofusing transform er-typeactive inductorload assubstitutes forpassiveone. T he perform ance of the L N A is sim ulated and com pared w ith certain existingLN A with passive on-chip inductorload which showstheLN A with transform er-type active inductor loadcan achievelowernoise figure.Keywords:com plem entary m etaloxide sem iconductor;low noiseam plifier;active inductor;noise figureEEACC:12201.8 GHz CMOS有源负载低噪声放大器王良江,冯全源(西南交通大学微电子研究所,成都 610031)摘 要:提出了一种新的变压器型有源电感负载低噪声放大器设计方案。单片无源大电感的品质因数通常很低,因此,需验证变压器型有源电感替代无源电感负载的有效性,与现有的一些单片无源电感负载低噪声放大器进行了比较,结果表明变压器型有源电感负载低噪声放大器可以得到更低的噪声系数。关键词:互补金属氧化物半导体;低噪声放大器;有源电感;噪声系数中图分类号:TN722.3 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2005)03-0494-03低噪声放大器是接收机电路中第一个有源电路,主要功能是将来自天线的微伏级的电压信号进行小信号放大。其作为微波中继通信和微波测试系统的关键部件,噪声系数、 增益及平坦度、 带宽等性能越来越受关注和研究。电感则是低噪声放大器设计的基础。大多数已发表的低噪声放大器3,4,5用的都是单片的无源螺旋电感。作为微波接收前端部件的低噪声放大器的应用已被证实非常困难,主要是由于缺乏单片高品质因数 Q的电感。本文采用有源磁耦合电感代替传统的平面螺旋电感。本文通过分析、 仿真变压器型电感的品质因数,用于替代目标低噪声放大器中传统平面螺旋电感负载,并仿真证实了变压器型电感负载对提高放大器噪声性能的有效性。1 有源高品质因数Q电感通常,由于单片螺旋电感的寄生效应其品质因数都很低,而品质因数的高低又直接限制了电感的性能。不久前报道了1一种利用变压器磁耦合来提高单片螺旋电感品质因数的方法。单片变压器型电感电路如图1 所示。其输入阻抗表达式为:Zin =(R1 -Mm0sin )+ j (L1 + Mm0cos )=Reff +jLeff (1)其中, L1 和 M和 R2 分别是变压器的自感、 互收稿日期:2005-01-11基金项目:国家自然科学基金资助的项目,基金号:60371017作者简介:王良江(1979-),男,汉,浙江省嵊州市,硕士研究生,从事集成电路的研究, wangliangjiang 163.com .感,和等效的串联电阻, m0 和 是电流增益因数和相位差。 图2给出了平面变压器型电感的等效模型。选择合适的电流比就可以消去 Zin 的实数部分 Reff。根据实际的工作频率要求,使输入阻抗的实数部分的值在特定的频率趋于0来等效一个理想的纯电感。从式(1)中可得出有效电感 Q的表达式:Q=ImZinReZin=j LeffReff(2)图1 单片高品质因数Q变压器型电感图2 平面变压器型电感的等效模型从图3的仿真结果中可看出,在工作频率约有200 M Hz范围内电感的品质因数大于200。2 噪声分析Cascode 结构在低噪声放大器设计中已得到广泛的应用。由于 cascode 低噪声放大器设计没有考虑共源级和共栅级之间的匹配,而共源级的输出阻抗和共栅级的输入阻抗都是容性的,所以在 M 1 和M 2 间加入级间电感 La,可以提高两级间的匹配7。这样不仅提高了功率增益,而且使第一级的米勒(M iller) 电 容 效 应更为显著,整个噪声系数也会因更有效的功率传输而得以改善。电路如图4 所示。用小信号等效电路分析,低噪声放大器可分为两级。电路的输入阻抗可表示为:Zin =j(Lg+ Ls)+1j Cgs+(Rg+ Rl)+gm1CgsLs= Rg+ Rl+ TLs (3)其中:有效栅极电阻 Rg= R0W1/(3n2L1),Rl 是 Lg 和Ls 的寄生电阻; R0 是栅极多晶硅的方块电阻; n 是M 1 栅极指数; W1 和 L1 分别是 M 1 的栅宽和栅长 ;图3 虚线为仿真结果和实线为参考文献1在不同电感下的实验图4 低噪声放大器电路图gm1是M 1 的跨导。MOS管M 2 对放大器的噪声贡献可认为是 M 1的输出端的噪声电流。为了适应漏极噪声电流 ind和栅极噪声电流 ing相关性的可能性,我们把 ing分为两个部分:与 ind相关部分 ing1和无关部分 ing2;而且漏极噪声电流和栅极噪声电流表达式分别为:ind2=4kT gd0 (4)ing2=4kT gg (5)从文献5中可知,Cascode结构的噪声可用下式计算:N F = 1 + 1gg1(1 - c2)gs+Rn1gsys +jCgs1 -(gm1-jCgd1)c 1gd01 1gd012+Rn1gs ys +jCgs1 +jCgd1(6)其中: ys 是源导纳, gs 是源电导, c是漏极噪声电流和栅极噪声电流的相关系数, Rn1是 M 1 产生漏极噪声电流的等效噪声电阻,等于:Rn1= 1gd01gm 1(7)实际中因 0 T,M 2 的噪声贡献远小于 M 1,所以通常被忽略。低噪声放大器的噪声因数可表示594第3期王良江,冯全源等:1.8 GHzCMOS有源负载低噪声放大器为:F =1+RgR1Rs+gd0Rs 0 T2(8)其中: gd0是 M 1 零偏时漏电导; 是工艺系数,对于长沟道器件,满足 2/3 1。3 仿真和结果首先,我们必须先优化 MOS管 M 1 的栅宽,实现最大功率传输、 最小功耗和最小化噪声。同时,偏置电路的栅宽也很重要,它直接影响 M 1 管的直流偏置点,结果就会影响功耗、 增益和噪声系数。为了防止噪声性能的下降,螺旋电感被应用于对噪声敏感输入端和用来替代 cascode级与输出电路的漏极电感。仿真在 ADS (A dvanced Design System )TSMC0.18m 工艺环境下进行。低噪声放大器参数的仿真性能如图5 所示。低噪声放大器的增益峰值为 38.9 dB,输入反射系数为- 24.9 dB,输出反射系数小于- 10,噪声系数为 0.68 dB。仿真结果见图 5。图5 (a)增 (b)S11 (c)S22 (d)NF4 结论由于存在很多折衷考虑,所以射频低噪声放大器的设计相当复杂。 加入极间电感可增加功率增益、减少噪声系数;变压器型电感的衬底耦合虽使放大器增益有所下降,但可降低噪声系数。因此,高品质因数 Q的电感模型对低噪声放大器的性能很重要。本文用高品质因数的变压器型螺旋电感代替平面螺旋电感负载,并仿真验证了变压器型螺旋电感负载,对提高低噪声放大器噪声性能的有效性(见表1)。 但是,本文有个不足之处就是采用变压器型电感负载相对于平面螺旋电感约会增加20 %芯片面积。表1 低噪声放大器仿真结果比较参数 Huang3GUO5Pascht6J. L ong8本文无源 有源工艺/ m 0.35 0.35 0.3 0.18 0.18 0.18电源电压/V 2 1.5 1.2 1.5 1.5工作频率/GH z 2.4 1.9 2.4 2.4 1.8 1.8功率增益/dB 19.817.5(S11)19.2(S21)12.9(S21)39.5(S21)38.2(S21)S11/dB - 30 - 22.4 - 20.5 - 24.9S22/dB - 11.7 - 21.6 - 15.6 - 10.3噪声/dB 3 1.6 2 0.76 0.84 0 .68参考文献:1 W u Y C,Chang M F. O n-chip high-Q transform er-typespiralinductorsJ. IEE ElectronicsLetters,2002,38(3):112-113.2 CurtisLeifso, etal. M onolithicTunableA ctive InductorwithIndependent Q ControlJ. IEEE trans M icrowave TheoryTech,2000,48:1024-1029.3 Huang JC, et al. A 2V 2.4 G H z F ully Integrated C M O SLNA with Q - enhancem ent CircuitC . In: APM C 2001,2001,3:1028-1031.4 RazaviB,Yan R H ,Lee K F. Im pactofdistributed gate resis-tance on the perform ance ofM O S devicesJ IEEE Trans onCircuits and Systems I,1994,41(11):750-754.5 G uo W ei, H uang Daquan . The noise and linearity optim iza-tion for a 1.9-G Hz CM O S low noise am plifierC. In:2002IE E E A sia- Pacific Conference on Proceedings, 2002, 253-257.6 M .Berroth,PaschtA. A CM O S low noise am plifier at 2.4GH zwith activeinductorloadC.In:Silicon M onolithicInte-grated Circuits in R F System s, 2001, 1-5.7 A . N iknijad, R. M eyer. A nalysis, Design and O ptimizationofSpiral