一款低噪声CMOS运算放大器的改进与设计.pdf

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1、；经验交流学术探讨20{2辩9一款低噪声CMOS运算放大器的改进与设计郭虎(兰州交通大学，甘肃兰州I730070)[摘要]采用台积电(TSMC)0．1gum标准RFCMOS工艺进行仿真验证；改进了器件的噪声模型，给出了在功耗和阻抗匹配条件下噪声性能优化的设计方法。在遵守模拟电路设计的八边形法则的基础上，对参数进行折衷考虑(trade—o和整体优化处理。仿真结果表明，此运算放大器的各项主要参数均满足预期要求，性能优异。[关键词]低噪声放大器；共源共栅；密勒效应；补偿电容LEE提出⋯后在窄带LNA的设计中获得了广泛的应用，其特1．引

2、言点是阻抗匹配主要用源级负反馈电感和栅极串联电感来实近年来射频无线通信技术飞速发展，现已发展到能提供现，因为它使用纯电抗器件，消耗功耗几乎为零，也不引入额综合高速个人通信服务的第三代(3G)移动通信系统，无线通外的噪声，因此噪声性能优异，能够获得较高的增益。缺点是信技术已经广泛应用于国民经济的各个领域，正深刻地改变在全集成产品中，片上电感占用芯片面积过多。其电路结构大着人们生活。低噪声放大器(1ownoiseamplifier，简称LNA)作致上如图1所示：为射频收发机前端的主要部件，其功能主要是对从RF接收机天线或天线滤波器端

3、接收到的微弱信号进行放大以及降频、滤波，得到后端RF相关电路正常工作所需的中频信号。它位于整个射频接收机电路系统的第一级，因此其各项指标直接影响整个电路系统的性能的优劣。通常LNA的噪声来源有四种，分别是热噪声、闪烁噪声、爆米噪声、散粒噪声。从噪声的角度来看，通常LNA噪声系数要求5dB以下。从增益的角度来分析，一般要求LNA高增益模式在15dB左右，低图1电感源级负反馈共源放大级电路增益在0dB左右。从选频的角度看，根据两种架构的不同，选择不同频率的带宽。从线性度的角度，一般要求RF低噪放的图1的小信号模型如图2所示：OIP大

4、于5dBm。从功耗的角度看，要求尽可能地减小功耗，这样有利于增加电池的工作时间。从功率传输的角度看，需要进行最大化的功率传输，同时能够保证滤波器的选频性能，这往往要求LNA的输入反射系数小于．10dB。1．1噪声理论噪声是一种随机信号，存在于连续且无限的时间段中，噪声时域的瞬时值不能预测，其性质上可以是周期的也可以是非周期的，在实际电路中，大多数噪声源的平均功率都是固定的，所以用平均功率来表示噪声：P=_1Jdt图2共源放大级的电路的小信号模型tJt—’Kx因为一般的系统都是工作在某些特定的频率范围内，跟遵守模拟电路分析中不影响

5、分析结果的条件F忽略影响频率有关。我们引入衡量因子Pav(0，将上式中的Rx用功率电路的次要因素。一般情况下电感源极负反馈的输入阻抗值谱密度S(D表示，这样如果我们要分析某个频带范围内的噪为：，-r+e声，可以表示如下：P=IS~Odf+lS~0dfJ-r1J-zmOw)击j邯(jw)+]z击j+z-zm∞T2．LNA输入级的设计简化分析仅考虑如图2的MOS管小信号模型只包含一低噪放的匹配可以用纯电阻或者纯电抗网络，也可以使个栅一源电容和一个跨导的情况，输入阻抗值可表示为：用电阻和电抗的组合。本文采用纯电抗网络的共源放大结构，Z

6、m=S(La+Lb)++L=s(La十Lb)+击TL这种结构自1997年从由SH~FFERD．K和THOMASH．作者简介：郭虎，男，甘肃白银人，硕士研究生，研究方向：大规模集成电路的设计。l学术探讨经验交流一j一一一：：一一一一．．．一一一l2012年第9期满足输入阻抗匹配条件：志+jw(cc05．整体LNA的电路结构谐振频率∞。为：tO。=1／、／_L[在窄带应用中，需要通过调谐去除输出电容来提高增益。其中La，Lb为片上平面螺旋(spira1)电感。其总体电路图如图5：3．CascodeLNA结构电感源级负反馈放大器可以选

7、择合适的源极电感来控制输入阻抗实数部分的值，来实现很好的阻抗匹配，具有噪声性能优越和功耗较低的优点。而根据反馈分解理论(FDT)t21，M1会产生Miller电容Cgdl，造成Miller效应『3]。可分解Cgl和Cg2。Cgl：Cgdl(1一AV)，Cg2=Cgdl(1-1／AV)，其中Av=Vds／Vgs。Vds，Vgs分别是漏源和栅源电压。在LNA的设计中，为图5LNA整体电路图消除Miller效应，在共源的基础上级联共栅MOS管。其设计中需要考虑电路共栅管尺寸的问题，大尺寸故然减少主放大上面提到由于La，Lb为片上平面螺

8、旋(spira1)电感，占用芯管栅极和漏极之间的耦合效应，但也会增大寄生电容，当高频片面积大，而且自身的损耗会使信噪比降低，这时需要采用密时，栅源电容也会附加额外噪声，故通常设置相同的共栅管和勒电容补偿技术：即在M1栅极，源级之间连接电容C，以此共源管尺寸宽度[