基于CMOS工藝的2.4GHz低噪聲放大器的ADS設(shè)計

【摘 要】本文采用了SMIC0.18 μm工藝，設(shè)計了一款應(yīng)用在2.4Ghz（藍牙系統(tǒng)）的低噪聲放大器（LNA）。通過該實例，詳細介紹了設(shè)計CMOS低噪聲放大器的整個過程。文章先初步構(gòu)建了一個單端共源-共柵結(jié)構(gòu)放大電路，然后對該放大電路進行了理論分析，最后采用射頻設(shè)計軟件ADS（Advanced Design System）對其進行了模擬優(yōu)化，在2.4Ghz時獲得了1.443dB的噪聲系數(shù)（NF）。模擬結(jié)果表明本文設(shè)計的低噪聲放大器有噪聲低，增益高的優(yōu)點，且匹配良好。

【關(guān)鍵詞】低噪聲放大器（LNA）；CMOS；共源一共柵結(jié)構(gòu)；ADS（Advanced Design System）

一、引言

低噪聲放大器（LNA）是廣泛應(yīng)用于微波通信、雷達、GPS接收機，遙感遙控、藍牙等各種接收系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，屬于射頻前端接收器，是必不可少的關(guān)鍵電路。其重要作用有兩方面，一方面是對天線所接收到的微弱信號進行放大，另一方面是對該微弱信號進行降噪處理。由于LNA的輸出信號會傳輸?shù)较乱患夁M行處理，因此，LNA性能的好壞會大大影響到整個系統(tǒng)的性能。尤其是其噪聲系數(shù)，是設(shè)計的關(guān)鍵所在，它的增益將決定對后級電路的噪聲抑制程度，它的線性度將對整個系統(tǒng)的線性度和共模噪聲抑制比產(chǎn)生重要影響。LNA的設(shè)計需要滿足以下要求：第一，應(yīng)該具有足夠高的增益及接收靈敏度；第二，應(yīng)該有足夠高的線性度，來抑止干擾和防止靈敏度下降；第三，端口應(yīng)當匹配良好，信號能夠有效的傳輸，除此之外，還應(yīng)滿足有效隔離、防止信號泄漏以及穩(wěn)定性等方面的要求。一直以來，由于CMOS器件的頻率特性較差，人們不得不采用GaAs或Bi-CMOS等工藝來實現(xiàn)LNA。而后端部分通常使用CMOS工藝，這樣就造成了兩種工藝的不兼容性，使得無線通信系統(tǒng)的片上集成十分困難。因此對工藝的統(tǒng)一十分重要，由于GaAs或Bi-CMOS等工藝并不適合后端的基帶部分，因此我們希望能夠改變LNA的工藝制造來提高兼容性。隨著CMOS工藝的發(fā)展，這個問題慢慢得到了改善，在柵長發(fā)展到低于0.1μm以后，Si-MOS器件的工作頻率也得到了大大的提高，截止頻率可達200GHz以上。這為基于CMOS工藝的LNA的制造創(chuàng)造了有利的條件。本文采用了SMIC0.18μm工藝，使用射頻設(shè)計軟件ADS（Advanced Design System）設(shè)計了一款高性能的低噪聲放大器，可以應(yīng)用于藍牙頻段的射頻前端。本設(shè)計的預(yù)期指標為：中心頻率為2.4GHz，增益大于16dB，噪聲系數(shù)小于2dB，功耗小于10mW，采用1.5V電源供電。

二、電路結(jié)構(gòu)與理論分析

通常，低噪聲放大器主要由四個部分組成：輸入匹配電路，放大電路，偏置電路，輸出匹配電路。在本設(shè)計中較為核心的放大電路，采用了最為成熟穩(wěn)定的共源—共柵結(jié)構(gòu)。在該放大電路中，M1管為主放大管（共源管），提供足夠的增益。M2管（共柵管）用來減少M1管的寄生電容所引起的密勒效應(yīng)及增強方向隔離性能，同時增大放大器的輸出阻抗。其中的Cin為隔直電容，L5，Lg用來實現(xiàn)輸入阻抗匹配。M3為M1提供鏡像電流，R2阻值設(shè)的足夠大，這樣可以避免高頻信號進入偏置電路，還可以抑制偏置電路中的噪聲進入核心電路。M2給放大器提供一個低阻抗負載，降低了Miller效應(yīng)的影響，同時還提高了反向隔離性。L，C1，C2可以很好的實現(xiàn)輸出匹配。

圖1 共源一共柵結(jié)構(gòu)的LNA電路結(jié)構(gòu)圖

在設(shè)計中，我們采用了SMIC0.18μm工藝，理論分析過程及設(shè)計思路如下：首先考慮噪聲晶體管M1最優(yōu)寬度W：W≈，式（1）。其中，C=，對于信號源電阻Rs，取值為50Ω，可以計算出W值。然后，合理選取M3和R1為M1提供合適的偏置電流，通常M3寬度為M1的1/10。由輸入阻抗Zin，可以確定Ls與L：Z=jω（L+L）++ωL，式（2）。其中ω≈，g=μmC（W/L）（V-V），C=2/3WLC由于輸入阻抗實部要求為50Ω，即ωL=50Ω，由此可以確定Ls的值。再由輸入阻抗虛部位為0，即ω（L+L）+=0，式（3），我們可以確定Lg的值。最后可以通過ADS進行調(diào)試來選擇L，C1，C2，以實現(xiàn)輸出阻抗匹配。在此過程中，我們只需要得到各個參數(shù)的一個大概范圍即可，更加精確的值，我們可以通過ADS仿真得到。

三、ADS仿真驗證

文章采用SMIC0.18μm工藝庫，使用射頻設(shè)計軟件ADS對電路進行了驗證與優(yōu)化，在ADS中，完整的電路圖如圖2所示，其中的電路參數(shù)都是經(jīng)過優(yōu)化之后的結(jié)果。模擬結(jié)果現(xiàn)實，該電路具有低噪聲，很好的匹配性及較高的增益等性能。

圖2 ADS優(yōu)化后電路結(jié)構(gòu)圖

在調(diào)試過程中，應(yīng)該按照先局部后整體優(yōu)化進行。局部電路是指前面所說的LNA的四個子電路，即輸入匹配電路，放大電路，偏置電路和輸出匹配電路。在調(diào)試時，我們可以先對這個四個模塊分別進行優(yōu)化，在對整體的電路進行優(yōu)化，得到最終的優(yōu)值。圖3是該電路噪聲性能模擬結(jié)果，由圖3可以看出，在2.4Ghz工作頻率下，噪聲系數(shù)NF為1.443dB，最小噪聲系數(shù)出現(xiàn)在2.1Ghz附近，大小為0.8dB，表明該電路具有良好的噪聲性能。該性能遠好于基于0.35μmGe-Si的BiCMOS的結(jié)果，也接近于TSMC0.13μmCMOS工藝的結(jié)果。足以滿足我們的設(shè)計指標，且留有一定容差。

圖3 噪聲系數(shù)模擬結(jié)果

圖4～圖6分別是S21，S11，S22指標的模擬結(jié)果。首先看S21，S21即為電路的增益系數(shù)，由圖4可以看到，設(shè)計的LNA在大約2.4Ghz時達到了峰值22.695dB，也超出了我們的設(shè)計要求，這個值也大于參考文獻[4]所獲得的結(jié)果。從圖5和圖6中，我們可以看到S11，S22分別為-23.651dB和-19.895dB，都遠小于-10dB，可見輸入輸出回波損耗很小，匹配良好。

圖4 S21模擬結(jié)果 圖5 S11模擬結(jié)果

圖6 S22模擬結(jié)果

此外，該電路采用了1.5V電源供電，經(jīng)計算，功耗較小，約為7.5mW。

四、結(jié)論

本文采用SMIC0.18μm工藝標準，設(shè)計了一種適用于射頻藍牙系統(tǒng)（2.4Ghz）的CMOS低噪聲放大器，使用ADS進行了仿真優(yōu)化。模擬表明，在2.4Ghz工作頻率下，噪聲系數(shù)NF為1.443dB，增益S21達到了22.695dB，S11和S22分別為-23

651dB和-19.895dB，實現(xiàn)了良好的匹配。此外，采用1.5V供電的系統(tǒng)功耗為7.5mW，這些指標表明，該電路具有低噪聲，低功耗，高增益的優(yōu)勢，完全可以滿足藍牙系統(tǒng)的要求。

參 考 文 獻

[1]周建明，陳向東，徐洪波.1.9GHz0.18μmCMOS低噪聲放大器的設(shè)計[J].通信技術(shù).2010

[2]孟林，楊勇，牛磊，鄧龍江.射頻低噪聲放大器的ADS設(shè)計[J].理論與實踐.2007

[3]黃波.基于0.18μmCMOS工藝的2.4GHz低噪聲放大器的設(shè)計與實現(xiàn)[D].國防科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.2009

[4]戴廣豪，李文杰，王生榮，李競春，楊謨?nèi)A.一種新型2.4GHzSiGe

BiCMOS低噪聲放大器[J].微電子學(xué).2006

[5]孫嘉新.CMOS2.4GHz低噪聲放大器的ADS研究設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù).2010