1.8 GHz CMOS 有源负载低噪声放大器.pdf

第 28 卷 第 3 期 2005 年 9 月 电 子 器 件 C hi nese Journal of E lectron D evi ces V ol .28N o.3 Sep. 2005 ACMOSLowNoise Amplifier at 1.8GHzwith ActiveInductor Load WANGLiang-jiang,FENGQuan-yuan (Institute o f Micro-electro nics,Southwest Jiaotong University,Chendu610031,China) Abstract:A 1.8G H z CM O S l ow noi se am pli fi er (L N A ) w i th transform er-type acti ve i nductor l oad i s pre- sented. For l arge i nductance val ue, the qual i ty-factor (Q) ofan on-chi p passi ve i nductor i s com m onl y l ow . H ence, the purpose of thi s w ork i s to veri fy the val i di ty of usi ng transform er-type acti ve i nductor load as substi tutes for passi ve one. T he perform ance of the L N A i s si m ul ated and com pared w i th certai n exi sti ng L N A w ith passi ve on-chi p i nductor l oad w hi ch show s the L N A w i th transform er-type acti ve i nductor l oad can achi eve low er noi se fi gure. Keywords:com pl em entary m etal oxi de sem i conductor;low noi se am pl ifi er;acti ve i nductor;noi se fi gure EEACC:1220 1.8 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- Mm0si n ) + j (L1+Mm0cos ) = Reff+j Leff(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,w angl iangj iang 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= Im Zin ReZin = j Leff Reff (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 H z 范围内电感的品质因数大于 200。 2 噪声分析 C ascode 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 (M i l l er)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)+ 1 jCgs+ (R g+Rl)+ gm 1 Cgs Ls =Rg+Rl + TLs(3) 其中:有效栅极电阻Rg=R0W1/(3n 2L 1),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 gm 1是 M1的跨导。 M O S 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in d和 栅极噪声电流in g相关性的可能性,我们把ing分为两 个部分:与ind相关部分in g1和无关部分in g2;而且漏极 噪声电流和栅极噪声电流表达式分别为: in d 2 =4kTgd0(4) in g 2 =4kTgg(5) 从文献 5 中可知,C ascode 结构的噪声可用下 式计算: N F =1 + 1gg 1(1 - c 2) gs + Rn 1 gs ys+ j Cgs1-(gm 1-j Cg d1)c 1gd0 1 1gd0 1 2 + Rn1 gs ys+ jCgs1+j Cg d1(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,Rn 1 是 M 1产生漏极噪 声电流的等效噪声电阻,等于: Rn 1= 1gd0 1 gm 1 (7) 实际中因 0 T ,M 2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:1.8 G H z CM O S 有源负载低噪声放大器 为: F=1 + RgR1 Rs +gd0Rs 0 T 2 (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 M O S 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 A D S (A dvanced D esi gn System ) T SM C 0.18 m 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)N F 4 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 H uang3G U O 5 P ascht6J. L ong8 本文 无源有源 工艺/ m0.350.380.18 电源电压/V1.5 工作频率/G H z 功率增益/dB19.8 17.5 (S11) 19.2 (S21) 12.9 (S 21) 39.5 (S 21) 38.2 (S21) S11/dB- 30- 22.4 - 20.5 - 24.9 S22/dB - 11.7- 21.6 - 15.6 - 10.3 噪声/dB31.620.760.840.68 参考文献: 1 W u Y C ,C hang MF . O n-chi p hi gh -Q transform er-type spiral i nductorsJ. IE E E lectronics L etters,2002,38(3):112-113. 2 Curti s L eif so, et al. M onolithic T unable A ctive Inductor w ith IndependentQC ontrol J. IEE Etrans M icrow ave T heory T ech,2000,48:1024-1029. 3 H uang J C,et al.A2V2.4G H z Fully Integrated CM O S L N Aw ith Q -enhancem ent C i rcui t C . In: A P M C2001, 2001,3:1028-1031. 4 R azaviB ,Y an R H ,Lee K F . Im pact of di stri buted gate resi s- tance on the perform ance of M O S devi cesJ IEE E T rans on Circuits and System s I,1994,41(11):750-754. 5 G uo W ei, H uang D aquan . T he noise and linearity opti m i za- ti on for a 1.9-G H z C M O S low noi se am pl ifi erC . 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