1.8 GHz CMOS 有源负载低噪声放大器

第28卷第3期2005年9月电子器件ChineseJournalofElectronDevicesVol.28No.3Sep.2005ACMOSLowNoiseAmplifierat1.8GHzwithActiveInductorLoadWANGLiang-jiang,FENGQuan-yuan(InstituteofMicro-electronics,SouthwestJiaotongUniversity,Chendu610031,China)Abstract:A1.8GHzCMOSlownoiseamplifier(LNA)withtransformer-typeactiveinductorloadispre-sented.Forlargeinductancevalue,thequality-factor(Q)ofanon-chippassiveinductoriscommonlylow.Hence,thepurposeofthisworkistoverifythevalidityofusingtransformer-typeactiveinductorloadassubstitutesforpassiveone.TheperformanceoftheLNAissimulatedandcomparedwithcertainexistingLNAwithpassiveon-chipinductorloadwhichshowstheLNAwithtransformer-typeactiveinductorloadcanachievelowernoisefigure.Keywords:complementarymetaloxidesemiconductor;lownoiseamplifier;activeinductor;noisefigureEEACC:12201.8GHzCMOS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,.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=jLeffReff(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200MHz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M1和M2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(Miller)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)+1jCgs+(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M1栅极指数;W1和L1分别是M1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M1的跨导。MOS管M2对放大器的噪声贡献可认为是M1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=4kTgd0(4)ing2=4kTgg(5)从文献5中可知,Cascode结构的噪声可用下式计算:NF=1+1gg1(1-c2)gs+Rn1gsys+jCgs1-(gm1-jCgd1)c1gd011gd012+Rn1gsys+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M1产生漏极噪声电流的等效噪声电阻,等于:Rn1=1gd01gm1(7)实际中因0T,M2的噪声贡献远小于M1,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:1.8GHzCMOS有源负载低噪声放大器为:F=1+RgR1Rs+gd0Rs0T2(8)其中:gd0是M1零偏时漏电导;是工艺系数,对于长沟道器件,满足2/31。3仿真和结果首先,我们必须先优化MOS管M1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M1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(AdvancedDesignSystem)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38.9dB,输入反射系数为-24.9dB,输出反射系数小于-10,噪声系数为0.68dB。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.Long8本文无源有源工艺/m0.350.380.18电源电压/V1.5工作频率/GHz功率增益/dB19.817.5(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/dB31.620.760.840.68参考文献:1WuYC,ChangMF.On-chiphigh-Qtransformer-typespiralinductorsJ.IEEElectronicsLetters,2002,38(3):112-113.2CurtisLeifso,etal.MonolithicTunableActiveInductorwithIndependentQControlJ.IEEEtransMicrowaveTheoryTech,2000,48:1024-1029.3HuangJC,etal.A2V2.4GHzFullyIntegratedCMOSLNAwithQ-enhancementCircuitC.In:APMC2001,2001,3:1028-1031.4RazaviB,YanRH,LeeKF.Impactofdistributedgateresis-tanceontheperformanceofMOSdevicesJIEEETransonCircuitsandSystemsI,1994,41(11):750-754.5GuoWei,HuangDaquan.Thenoiseandlinearityoptimiza-tionfora1.9-GHzCMOSlownoiseamplifierC.In:2002IEEEAsia-PacificConferenceonProceedings,2002,253-257.6M.Berroth,PaschtA.ACMOSlownoiseamplifierat2.4GHzwithactiveinductorloadC.In:SiliconMonolithicInte-gratedCircuitsinRFSystems,2001,1-5.7A.Niknijad,R.Meyer.Analysis,DesignandOptimizati