一种1～3 GHz无电感型宽带低噪声放大器设计

shuszhao · 发表于 2018-8-26 14:22:53

随着卫星通信、调频技术等相关技术的发展，对射频前端特别是低噪声放大器的工作频带提出了更高的要求，传统的窄带低噪声放大器越来越受到限制。低噪声放大器位于射频的最前端，根据通道噪声系数的理论，低噪声放大器的增益和噪声系数对整个射频通道的噪声系数起着及其重要的作用。基于CMOS 工艺的低噪声放大器经过多年的发展，其噪声系数及增益都已经达到了很高的水平，但是其大多需要采用无源电感器件来实现。众所周知，基于CMOS 工艺的电感不仅占用较大的芯片面积，而且其品质因数性能也通常不会超过10。同时在一些大规模应用的场合，在管芯的键合、封装时由于键合线的长度不可控、寄生电容不同等原因，传统的片外匹配电路通常会发生较大的变化，电路性能受到较大的影响。

本文设计一种集成度高、匹配方便的宽带低噪声放大器，而基于宽带匹配的pH 甚至fH 级的电感在现有的集成电路制造及键合水平下将是很严重的瓶颈问题。而且运用较多的电感、电容也是其目前不能大规模应用的重要原因，所以研究基于CMOS工艺的无电感型宽带低噪声放大器具有重要的学术价值和应用价值。

1 结构分析

低噪声放大器是无线接收系统中第一个模块，影响着整个系统的噪声性能和灵敏度等参数。随着超宽带技术的发展，宽带低噪声放大器设计已成为当前设计的一个热点。根据目前国内外发表的相关文献，当前宽带低噪声放大器的结构大致有带通滤波网络匹配和电阻负反馈2 种结构。

带通滤波网络匹配结构主要是基于传统的源级负反馈结构的低噪声放大器，在输入端口处采用带通滤波器来实现宽带乃至超宽带匹配来实现输入S 参数的匹配。在低噪声放大器电路设计时，此结构是窄带低噪声放大器设计中提供阻抗和噪声同时匹配的经典技术。因此，要在宽带内获得良好的输入匹配及平坦的增益，就必须在输入端加入较高阶数的LC带通滤波器以展宽低噪声放大器的工作频带。由于该匹配网络为同频带的带通滤波器，通常需要2 阶乃至3 阶的带通滤波器，这就意味着需要在芯片内部需要多个电感，这就会导致芯片面积较大。同时，为了达到输入匹配，该结构引入了源级负反馈电感，电感值通常较少，封装参数将会对源级负反馈电感造成很大的影响。该源级负反馈电感一般取值较小，在片实现时很难保证精度，从而影响输入端的匹配。

电阻负反馈型低噪声放大器由于其占用面积小、噪声系数低以及良好的线性度性能等特点，在无电感型宽带低噪声放大器的设计中存在较大的优势。电阻负反馈型低噪声放大器可以提供良好的宽带匹配和平坦的增益。但是其负反馈会导致噪声性能的恶化和最大可用增益的降低，电阻负反馈型低噪声放大器原理图如图1 所示。

图1 电阻负反馈型低噪声放大器原理

在电阻负反馈型低噪声放大器中，输入阻抗由反馈电阻和反馈放大器的闭环增益的比值决定。反馈电阻Rf的值通常远大于源阻抗Rs。因此，为了匹配低的源噪声电阻( 典型值为50 Ω) ，反馈电阻一般在几百欧姆的量级，这一点也加重了噪声指数的升高。在电阻负反馈的低噪声放大器中，反馈电阻直接与输出相连，需要在噪声系数与输入阻抗匹配直接做出一些折中，通常在反馈电阻与输出端口之间增加缓冲电路来减少它们之间的影响，其电路原理如图2 和图3 所示。

图2 传统的负反馈型宽带低噪声放大器

图3 改进的负反馈型宽带低噪声放大器

M2、M3 共同组成源跟随电路，起着隔离输入输出端口，减小反馈电阻与输出电路的作用，同时该源跟随器还起着增大输出驱动能力的作用，其输出电阻为1 /gm2。合理地调节M2 的宽长比及偏置电流，可以使其输出阻抗匹配至50 Ω。