一種1～3 GHz無電感型寬帶低噪聲放大器設(shè)計

隨著衛(wèi)星通信、調(diào)頻技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對射頻前端特別是低噪聲放大器的工作頻帶提出了更高的要求，傳統(tǒng)的窄帶低噪聲放大器越來越受到限制。低噪聲放大器位于射頻的最前端，根據(jù)通道噪聲系數(shù)的理論，低噪聲放大器的增益和噪聲系數(shù)對整個射頻通道的噪聲系數(shù)起著及其重要的作用。基于CMOS 工藝的低噪聲放大器經(jīng)過多年的發(fā)展，其噪聲系數(shù)及增益都已經(jīng)達到了很高的水平，但是其大多需要采用無源電感器件來實現(xiàn)。眾所周知，基于CMOS 工藝的電感不僅占用較大的芯片面積，而且其品質(zhì)因數(shù)性能也通常不會超過10。同時在一些大規(guī)模應(yīng)用的場合，在管芯的鍵合、封裝時由于鍵合線的長度不可控、寄生電容不同等原因，傳統(tǒng)的片外匹配電路通常會發(fā)生較大的變化，電路性能受到較大的影響。

本文設(shè)計一種集成度高、匹配方便的寬帶低噪聲放大器，而基于寬帶匹配的pH 甚至fH 級的電感在現(xiàn)有的集成電路制造及鍵合水平下將是很嚴(yán)重的瓶頸問題。而且運用較多的電感、電容也是其目前不能大規(guī)模應(yīng)用的重要原因，所以研究基于CMOS工藝的無電感型寬帶低噪聲放大器具有重 要的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用價值。

1 結(jié)構(gòu)分析

低噪聲放大器是無線接收系統(tǒng)中第一個模塊，影響著整個系統(tǒng)的噪聲性能和靈敏度等參數(shù)。隨著超寬帶技術(shù)的發(fā)展，寬帶低噪聲放大器設(shè)計已成為當(dāng)前設(shè)計的一個熱點。根據(jù)目前國內(nèi)外發(fā)表的相關(guān)文獻，當(dāng)前寬帶低噪聲放大器的結(jié)構(gòu)大致有帶通濾波網(wǎng)絡(luò)匹配和電阻負反饋2 種結(jié)構(gòu)。

帶通濾波網(wǎng)絡(luò)匹配結(jié)構(gòu)主要是基于傳統(tǒng)的源級負反饋結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器，在輸入端口處采用帶通濾波器來實現(xiàn)寬帶乃至超寬帶匹配來實現(xiàn)輸入S 參數(shù)的匹配。在低噪聲放大器電路設(shè)計時，此結(jié)構(gòu)是窄帶低噪聲放大器設(shè)計中提供阻抗和噪聲同時匹配的經(jīng)典技術(shù)。因此，要在寬帶內(nèi)獲得良好的輸入匹配及平坦的增益，就必須在輸入端加入較高階數(shù)的LC帶通濾波器以展寬低噪聲放大器的工作頻帶。由于該匹配網(wǎng)絡(luò)為同頻帶的帶通濾波器，通常需要2 階乃至3 階的帶通濾波器，這就意味著需要在芯片內(nèi)部需要多個電感，這就會導(dǎo)致 芯片面積較大。同時，為了達到輸入匹配，該結(jié)構(gòu)引入了源級負反饋電感，電感值通常較少，封裝參數(shù)將會對源級負反饋電感造成很大的影響。該源級負反饋電感一般取值較小，在片實現(xiàn)時很難保證精度，從而影響輸入端的匹配。

電阻負反饋型低噪聲放大器由于其占用面積小、噪聲系數(shù)低以及良好的線性度性能等特點，在無電感型寬帶低噪聲放大器的設(shè)計中存在較大的優(yōu)勢。電阻負反饋型低噪聲放大器可以提供良好的寬帶匹配和平坦的增益。但是其負反饋會導(dǎo)致噪聲性能的惡化和最大可用增益的降低，電阻負反饋型低噪聲放大器原理圖如圖1 所示。

圖1 電阻負反饋型低噪聲放大器原理

在電阻負反饋型低噪聲放大器中，輸入阻抗由反饋電阻和反饋放大器的閉環(huán)增益的比值決定。反饋電阻Rf的值通常遠大于源阻抗Rs。因此，為了匹配低的源噪聲電阻( 典型值為50 Ω) ，反饋電阻一般在幾百歐姆的量級，這一點也加重了噪聲指數(shù)的升高。在電阻負反饋的低噪聲放大器中，反饋電阻直接與輸出相連，需要在噪聲系數(shù)與輸入阻抗匹配直接做出一些折中，通常在反饋電阻與輸出端口之間增加緩沖電路來減少它們之間的影響，其電路原理如圖2 和圖3 所示。

圖2 傳統(tǒng)的負反饋型寬帶低噪聲放大器

圖3 改進的負反饋型寬帶低噪聲放大器

M2、M3 共同組成源跟隨電路，起著隔離輸入輸出端口，減小反饋電阻與輸出電路的作用，同時該源跟隨器還起著增大輸出驅(qū)動能力的作用，其輸出電阻為1 /gm2。合理地調(diào)節(jié)M2 的寬長比及偏置電流，可以使其輸出阻抗匹配至50 Ω。