张嘉伟-基于CMOS的2GHz低噪声放大器的ADS设计与实现.docx

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1、基于CMOS的2GHz低噪声放大器的ADS设计与实现张嘉伟113114312摘要：以一个具体的低噪声放大器（LNA）电路设计为实例，运用安捷伦公司（Agilent）射频设计软件AdvancedDesignSystem2009和工艺库TSMC0.18CMOSRFModel对CMOS低噪声放大器进行电路设计和仿真。设计中先初步构建一个单端共源共栅结构的放大电路，经参数计算后利用ADS对电路进行调试和优化，结合调试过程，说明使用ADS的一些方法和技巧，并且设计出低功耗、低噪声、高增益、高稳定性的单端工作在2GHz的低噪声放大器。其

2、仿真的各项参数都达到了预期的指标要求。关键词：低噪声放大器（LNA）；CMOS；ADS；共源共栅结构DesignandSimulationofA2.0GHzCMOSLNAUsingADSAbstract:AccordingtoanexampleofLowNoiseAmplifier(LNA)circuit.WedesignedandsimulatedaCMOSLNAontheAgilent’sEDAplatformsocalledAdvancedDesignSystem2009withTSMC0.18CMOSRFproces

3、s.Inthefirst,todesignaCascodecircuitwithsomeinitialparameters.ThenwithsimulationandoptimizationinADS,theseparametersareoptimized.Finally,wedesignedaLNAworkingat2.0GHzwithlowpower,lowNF,highgainandstable.ThesimulationresultsandthegraphicsshowthattheLNAmeettherequire

4、ments.KeyWords:LNA;CMOS;ADS;Cascode0引言低噪声放大器(LowNoiseAmplifier简称LNA)已广泛应用于微波通信、WLAN,GPS接收机、遥感遥控以及各种射频系统等领域，是现在IC技术中必不可少的电路。LNA位于射频接收的前端，是射频接收模块的关键部分，其主要功能是提供足够的增益来克服后续各级的噪声，比如混频器。除了LNA提供增益井且附加尽可能少的噪声之外，LNA还应该接收大的信号井且不失真，而且对输入信号源表现为一个特定的50Ω阻抗。以往，射频前端一般都采用GaAs，双极型或者B

5、iCMOS下艺，但由于功耗大和工艺兼容性问题，使得无线通信系统的片上集成较为困难不易于集成。随着射频CMOS集成电路技术的发展，MOS器件尺寸的小断减小，设计CMOS工艺已经达到0.1以下，MOS器件的高频特性也因此得以改善，截止频率已经达到200GHz以上[1]，这意味着噪声系数可能更低。因此，CMOS工艺的射频IC前端有广阔的市场和良好的应用前景是目前无线通信研究中的热点之一。本次设计的性能指标为：频率2.0GHz；输出匹配：50OΩ；增益：>10d；噪声系数：<2dB；稳定性：绝对稳定。1共源共栅结构LNA经典的共源共

6、栅结构常采用源极负反馈电感（如图1所示），可以在不增加噪声的情况下实现输入共轭匹配，是输入阻抗为50Ω。图2是其小信号等效电路，其中包含了MOS管的内部噪声。由于电路的噪声主要由电路的输入级决定，为了简化分析，我们只对分析NM1管，另外忽略NM1的栅、漏、源极的寄生电阻以及栅漏之间的寄生电容。图1共源共栅LNA原理图图2共源共栅LNA小信号等效电路图图2中的是NM1漏端沟道电流热噪声，是因晶体管的非准静态效应而引入的栅噪声，以上两种噪声都源于同一种物理效应即沟道电阻热噪声[2,3]，他们之间存在着一定的相关性，相关系数定义为

7、：（1）c是一个纯虚数，对于长沟道器件，其值为j0.395。通过一系列的数学运算，可以得到该共源共栅放大器的噪声参数表达式：（2）（3）（4）其中，，式中，随着沟道长度的减小而增大，它表示MOS管偏离长沟道程度的系数。有图2可以得到其输入阻抗：（5）当满足条件式（6）、（7）时电路将同时达到功率匹配和噪声匹配：（6）（7）由式（4）可知，，最佳噪声源阻抗呈感性。由文献[4]可知与的比例系数相近，虚部也就满足了匹配条件。对于的实部，其大小与呈反比，通过改变MOS的栅宽从而改变的值，来调节的大小。通常情况下，LNA的前级输出阻抗

8、等于50Ω，而一般较大，因此需要较大的栅宽使等于50Ω，但这样增加了LNA的功耗。2设计思路一个完整的低噪声放大器可分为四个部分：放大电路、偏置电路、输入匹配电路和输出匹配电路。其中核心是放大电路部分，用偏置电路来提供电源供电。本次设计采用共源共栅电路结构（Cascode），偏置电路采用直