隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線終端小型化、低功耗、低成本、高性能已成為射頻集成電路（RFIC）發(fā)展的必然趨勢。以往的MOS管高頻性能相對(duì)較差，傳統(tǒng)的射頻收發(fā)機(jī)主要采用GaAs、BiCMOS、Bipolar工藝實(shí)現(xiàn)，但價(jià)格昂貴，且不利于與CMOS 數(shù)字基帶部分單片集成。近年來隨著亞微米、深亞微米CMOS技術(shù)的日趨成熟、截止頻率fT不斷提高，CMOS工藝在性能上已經(jīng)能滿足RF需要，且CMOS 工藝具有成本低、集成度高、功耗小等特點(diǎn)，因此CMOS RFIC已成為國際上的研發(fā)熱點(diǎn)。

在接收機(jī)設(shè)計(jì)中，要得到良好的總體系統(tǒng)性能，關(guān)鍵在于性能優(yōu)越的前端， 低噪聲放大器（LNA）是其中最關(guān)鍵的電路之一。LNA是接收電路的第一級(jí)，直接面對(duì)天線接收的包含各種噪聲的微弱信號(hào)，其特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能產(chǎn)生直接影響。LNA需要具有良好的噪聲系數(shù)，并提供足夠的增益，以確保整個(gè)接收系統(tǒng)具有最小NF；同時(shí)當(dāng)接收信號(hào)較大時(shí)，應(yīng)有足夠的線性度以減小信號(hào)失真?，F(xiàn)代移動(dòng)通信設(shè)備的普及使LNA低功耗設(shè)計(jì)變得日益重要，文獻(xiàn)提出的PCSNIM技術(shù)是目前最佳的低功耗窄帶LNA優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，能在低功耗限制下，同時(shí)使噪聲性能、輸入匹配得到優(yōu)化，但PCSNIM技術(shù)還有不足之處。本文綜合考慮增益、噪聲、功耗、線性度、匹配等指標(biāo)對(duì)整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的影響，進(jìn)一步改善LNA電路結(jié)構(gòu)，以獲得最佳的系統(tǒng)性能。

本文以文獻(xiàn)中的研究成果為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)SNIM和PCSNIM進(jìn)行改進(jìn)，利用SMIC RF 0.13μm工藝，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于IEEE802.11a WLAN的單片集成LNA。模擬數(shù)據(jù)顯示，該LNA功耗僅為3mW，增益14.3dB，噪聲系數(shù)約為2.2dB，IIP3大于-3.6dBm，S11約為-23dB。通過設(shè)計(jì)實(shí)例仿真和測試對(duì)比，驗(yàn)證了理論分析的正確性。本文方法對(duì)低功耗LNA設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。

1、低功耗LNA設(shè)計(jì)方法

1.1 SNIM結(jié)構(gòu)LNA分析

圖1很容易實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配，從信號(hào)源看到的網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗Zin為：

其中Lg、Ls為片上平面螺旋電感，M1是共源放大管，共柵管M2起隔離作用，減少M(fèi)1柵漏電容的密勒效應(yīng)。式（1）表明，當(dāng)：

沒有優(yōu)化的SNIM電路中最佳噪聲阻抗都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于源阻抗，所以可以利用式（6）、式（7）中Zopt與Cgs成反比的特點(diǎn)，增加M1管的尺寸以增大Cgs、減小Zopt，最終實(shí)現(xiàn)電路的噪聲匹配。而增大M1的尺寸意味著要增加功耗（為了保證M1、M2都工作在飽和區(qū)且有一定的電壓裕度，M1管的柵源電壓可以變化的范圍很?。?。所以利用SNIM技術(shù)設(shè)計(jì)的LNA都有相當(dāng)大的功耗，這不能滿足對(duì)低功耗電路的要求。

1.2 PCSNIM 結(jié)構(gòu)LNA分析

根據(jù)上面推導(dǎo)分析，可以在不改變M1管尺寸的條件下，在M1管柵源上并聯(lián)電容C1以間接增大柵源電容（如圖2），實(shí)現(xiàn)功率約束下的噪聲和輸入匹配。

從信號(hào)源看到的網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗為：

由上述推導(dǎo)知：電容反饋的引入會(huì)使源極負(fù)反饋電感Ls增大，電感Ls增大導(dǎo)致系統(tǒng)增益下降及噪聲性能在一定程度上的惡化；電容反饋的引入還會(huì)使系統(tǒng)的等效跨導(dǎo)減小，導(dǎo)致系統(tǒng)增益減小20logk；使系統(tǒng)的截止頻率減小為原來的1/k，一定程度上惡化了系統(tǒng)的噪聲性能。

綜上所述，雖然利用PCSNIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了功耗約束下的輸入匹配和噪聲優(yōu)化，但付出的代價(jià)也很大，特別是在低功耗要求下系統(tǒng)增益減小和系統(tǒng)高頻特性的惡化［1］。

2、IPCSNIM 結(jié)構(gòu)LNA分析

由上面的分析可以看出：矛盾的關(guān)鍵在于，并聯(lián)電容C1的引入雖然實(shí)現(xiàn)了功耗約束下的輸入匹配和噪聲優(yōu)化，但也導(dǎo)致系統(tǒng)增益下降和高頻特性惡化。而Ls主要起輸入阻抗匹配作用，對(duì)系統(tǒng)的噪聲特性影響很小。所以可以改變并聯(lián)電容C1的位置以有效解決這個(gè)矛盾。

改進(jìn)方案如圖3所示。其中R1、M3為M1提供直流工作點(diǎn)，R2隔離R1和M3的噪聲對(duì)M1的影響，R2越大越好，一般為兆歐量級(jí)；電容C2作用與C1類似，起到降低最佳噪聲阻抗的作用如式（9）、式（10）。

從信號(hào)源看到的網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗為：

其中C2（約100fF）與PCSNIM中的C1相等。

源電感LS的主要作用是使輸入阻抗產(chǎn)生50？贅的實(shí)部，實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配。理想電感理論上不影響系統(tǒng)的Re［Zopt］，如式（6）、式（9）；LS很小（0.7nH），對(duì)Im［Zopt］的影響可以忽略不計(jì)，如式（7）、式（10）。因此改進(jìn)電路的最佳噪聲阻抗可以利用式（9）、式（10）計(jì)算。

3、設(shè)計(jì)事例和模擬結(jié)果

在實(shí)際芯片制造中，一般片上電阻的誤差很大，約20%，R1的波動(dòng)直接影響系統(tǒng)的直流工作點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的整體性能有很大影響；且R1約為1.5kΩ，使用片上電阻會(huì)占用較大的芯片面積。為了避免上述問題，可以用MOS電阻M4取代R1。這樣不僅節(jié)省了芯片面積，而且可以使電阻R1的精確度大大提高。

圖2中的C2很小（只有100fF左右），實(shí)際片上電容越小，誤差越大，但是C2的波動(dòng)對(duì)噪聲性能影響很大。為了避免C2波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，用M5 MOS電阻替代R2，利用M5源端到柵和襯底的寄生電容取代C2。這樣M5不僅可以像R2那樣起到噪聲隔離的目的，而且可以完全取代C2。這樣大大節(jié)省了芯片面積，簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜性。綜合上述分析，圖4 給出了完整的低功耗LNA設(shè)計(jì)方案。

以下仿真結(jié)果是在SMIC RF 0.13μm工藝、單片集成架構(gòu)、5.5GHz工作頻率、1V工作電壓下完成的。模擬結(jié)果對(duì)比如圖5、圖6、圖7所示。

本文在對(duì)傳統(tǒng)SNIM和PCSNIM結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)SNIM功耗過大和PCSNIM增益較小的缺點(diǎn)，提出了一種新的低功耗LNA設(shè)計(jì)架構(gòu)。該方案在功耗、噪聲和PCSNIM相當(dāng)?shù)臈l件下，充分彌補(bǔ)了PCSNIM增益過小的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了與高功耗SNIM相當(dāng)?shù)脑鲆?。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的輸入阻抗匹配特性和高頻特性。理論分析和ADS 仿真結(jié)果十分吻合，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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