1.8V 5.2 GHz 差分结构CMOS 低噪声放大器.pdf

1.8V5.2GHZ Differential CMOS Low Noise Amplifier LI Zhu,C HE N Zhi-hen,W A N GZhi-gong (InstituteofRF-2570D 1.8V5.2GHz差 分 结 构CMOS低 噪 声 放 大 器 李 竹 ,陈志恒 ,王志功 (东南大学射频与光电集成电路研究所 南京 210096) 摘要 :无线接收机小型化及低成本的发展趋势 ,要求人们解决高集成度及低功率的问题 ,从而推动了将射频部分与 基带电路部分实现单片集成的研究 ,我们给出了利用 0.18 mC M O S工艺设计的 5.2G H z低噪声放大器。在 1.8V 电压下 ,工作电流为 24m A增益为 15.8dB噪声系数为 1.4dB。 关键词 :C M OS工艺 ;低噪声放大器 ;集成螺旋电感 中图分类号 :T N402 文献标识码 :A 文章编号 : 1005 - 9490(2004)01 - C M O S工艺具有成本低 ,集成度高的特点 ,使人 们有可能实现无线通信系统的单片集成。随着特征 尺寸的不断减小 ,深亚微米C M O S工艺中有源器件 的特征频率已达到 50GH z以上 ,使得利用C M O S工 艺实现GH z频段的高频模拟电路成为可能。本文描 述采用 0.18mC M O S工艺实现 5GH z频段的低噪声 放大电路。在射频接收电路中低噪声放大器是第一 级有源电路 ,它所接收的信号 通常是非常微弱的。 当该信号幅度可与叠加在其上的内部噪声幅度相比 拟时 , 输出的有用信号就会有很强的噪声背景 ,甚至 完全被噪声淹没。因此要求前级放大器具有最小的 噪声系数。因为它的噪声系数决定了整个接收电路 的噪声系数。衡量一个低噪声放大器的性能指标包 括 : 最小噪声系数 ,适当的增益 ,满足 50 输入阻抗 匹配同时该放大器必须是稳定的。本文分为三个部 分 , 第一部分对放大器的噪声进行分析 ,并给出了等 效小信号噪声模型。第二部分为电路模拟结果和版 图。第三部分给出结论。 1 放大器噪声的分析 低噪声放大器广泛采用共栅或共源共栅的结 构。本设计采用比共栅极噪声系数小的共源共栅结 构 , 通过减小密勒效应 ,提高反向隔离度。对于低噪 声放大器的几个重要性能指标首先考虑输入阻抗匹 配 , 通过在输入端源极与栅极各串联一个电感实现 50 欧姆窄带匹配 ,如图 1 所示。 由图 1 可知输入阻抗表达式 Zin=s(Ls+Lg) + (1/sCgs) + (gm1/Cgs)Ls 当输入电路串联谐振时 ,输入阻抗呈纯实数且 第 27 卷第 1 期 2004 年 3 月 电 子 器 件 Chinese Journal ofElectronDevices Vol. 27 ,N o. 1 March. 2004 收稿日期 :2003 - 12 - 10 作者简介 :李 竹()女 ,东南大学无线电系硕士 ,lizhu ; 王志功 , 男 , 东南大学无线电系教授 , 博士生导师 . 图 1 共源共栅基本电路 与Ls的值成正比。选择适当的Ls从而使得输入阻 抗等于 50 欧姆 ,实现输入阻抗匹配。 放大器的噪声主要包括外界引入的噪声和放大 器的内部噪声 ,其内部噪声主要是电阻等有耗元件 和有源器件产生的。噪声系数是评价放大器噪声性 能好坏的指标 , 用N F表示 , 其定义为 : NF= 电路总的输出噪声 输入信号源在输出端产生的输出噪声 如果放大器本身不产生噪声 ,则相应的N F等于 1 , 因此N F表明实际放大器输出端上信号功率对噪声 功率的比值(信噪比)比无噪声放大器下降的倍数 , 其值恒大于 1。 图 2 给出了标准的C M O S噪声模型。 图 2 标准C M O S噪声模型 C M O S器件的主要噪声源是沟道热噪声 ,沟道热 噪声是白噪声 , 其功率谱密度为 : i 2 d f = 4KTrgdo 其中gdo是漏源电压为零的情况下器件的漏电导 ,r 是沟道热噪声系数 , 是一个与偏置有关的系数。 另一个噪声源是栅电阻噪声 ,其噪声模型等效 为电阻与噪声电压源的串联 , 栅电阻Rg可表示为 : Rg= RW 3n 2 L R为多晶硅方块电阻 ,W为器件栅宽 ,L为栅长 ,n 为栅指数 , 由公式可知通过增大栅指数n可使Rg的 值减小 , 从而尽量减小其对噪声的影响。 由于沟道载流子的热扰动 ,使得其通过栅电容 耦合至栅极 , 形成栅电流噪声 ,在低频频段这个噪声 源是可以忽略的 , 但是在射频频段却不可忽视 , 我们 称为感应栅噪声 ,用一并联的噪声电流源与一无噪 声电阻表示 , 其噪声模型如图 3 所示 : 图 3 栅噪声模型 其数学表达式为 : gg= 2 C 2 gs 5gdo ig 2 f = 4kTgg 为工作频率 ,为栅噪声系数。由上面公式可知 gg与 2 成正比 ,因此栅噪声并不是白噪声源 ,随着 频率的增加感应栅噪声的影响将越来越大 ,同时还 需注意的是感应栅噪声与沟道噪声是部分相关的 ,c 为相关系数 , 栅噪声可表示为相关与不相关两部分 电流源之和。 ig 2 f = 4kTgg| c | 2 + 4kTgg(1 -| c | 2 ) 等式右边前面一项为相关项用ig 2 ,c表示 ,后面一项 为不相关项用ig 2 ,u表示。 根据上面的分析我们可以得到完整的小信号等 效噪声模型 : 图 4 M OSFE T小信号等效噪声模型 根据以上噪声模型我们可以得到LN A的噪声 系数为 : F= 1 + Rg Rs + XgdoRs o T 2 1 X=k+ = 2QL| c | 2 5 + 2 51 + QL 2 是沟道热噪 声系数 ,gdo是零 偏置情况下的漏 电 导 ,Rs是源阻抗 ,T与 o分别为M O SFET的截止频 率与电路的工作频率 ,X包括两项 :K表示沟道噪 声与相关栅噪声部分 , 表示非相关栅噪声。Rg为 栅电阻 . 2 电 子器 件 第 27 卷 2 电路模拟结果和版图 本次设计采用差分对结构 ,可以有效地抑制通 过衬底耦合产生的共模噪声 ,这对版图的对称性也 有较高的要求。为了实现最大增益 ,输入匹配是很 重要的 ,C M OS工艺缺乏高Q值电感 ,这一点制约了 一些高频电路的实现。本次电路的输入匹配栅极电 感用高Q值的键合线来实现 ,而源极电感采用片内 集成的螺旋电感。其等效电路如图 5 所示。 图 5 片内集成电感等效电路 对于LN A,其增益大小必须同时考虑混频器的 噪声与线性度。L N A的增益太小不能有效地抑制后 级混频器的噪声 , 但是增益太大 ,输入到后级混频器 的信 号 会产 生大 的交 调信 号。一般 增 益在 10 到 20dB是比较合适的。稳定性也是LN A的一个重要 性能指标 ,我们采用稳定因子k来描述绝对稳定条 件 : K= 1 +| 2 -| S11| 2 -| S22| 2 2| S12| | S21| =S11S22-S12S21 当K 1 且| 1 且| 1 ,该电路 是绝对稳定的。 该电路各项性能指标 : 电源电压 静态功耗 噪声系数 S11 5 . 2G H z S22 5 . 2G H z S21 5 . 2G H z C M OSTechnology Die area 1 . 8V 24m A 1 . 5d B - 29d B - 32d B 15 . 8d B 0 . 18um 1 . 1m m* 1 . 1m m 3第 1 期 李 竹 ,陈志恒等 : 1.8V5.2G H z差分结构C M OS低噪声放大器 图 8 L N A版图 在版图设计时 , 必须注意版图的对称性 ,才能有 效地抑制共模噪声。源极与负载电感采用在片集成 电感 , 0.18mC M O S工艺电感采用顶层厚金属以提 高电感Q值 , 但是由于寄生效应 ,在片集成电感的Q 值比较低同时会引入额外的噪声。本次设计中在电 感外围加了一圈地线保护环以降低衬底噪声。 3 结 论 本次设计完成了采用IEEE802.11a标准的无线 局域网W L AN前端电路低噪声放大器的设计 ,该放 大器可工作在 5.2G Hz频段 , 其各项性能均满足指标 要求 . 参考文献 : 1 D.S haefferandT.Lee,A1.5V,1.5G HzCM OSlo wnoise amplifierJ .IEEE J.S olid-State Circuits, 1997 ,32(5) : 745 - 759 . 2 RF Circuit D esign-theory and applicationsM .Publishing House of Electronics Industry. 3 Behzad Razavi,A2.4G HzCM OS Receiver for IEEE802.11 W irelessL A NsJ .IEEEJ.Solid-StateCircuit,1999 ,34 (10) : 1382 - 138 . 4 N oise M odeling and C