1、射頻LNA設計要求

低噪聲放大器(LNA)作為射頻信號傳輸鏈路的第一級，它的噪聲系數特性決定了整個射頻電路前端的噪聲性能，因此作為高性能射頻接收電路的第一級LNA的設計必須滿足^[1]：(1)較高的線性度以抑制干擾和防止靈敏度下降；(2)足夠高的增益，使其可以抑制后續級模塊的噪聲；(3)與輸入輸出阻抗的匹配，通常為50Ω；(4)盡可能低的功耗，這是無線通信設備的發展趨勢所要求的。

2、Inductive degenerate cascode結構LNA

Inductive-degenerate cascode結構是射頻LNA設計中使用比較多的結構之一^[2]，因為這種結構能夠增加LNA的增益，降低噪聲系數，同時增加輸入級和輸出級之間的隔離度，提高穩定性。Inductive-degenerate cascode結構在輸入級MOS管的柵極和源極分別引入兩個電感L_g和L_s，通過選擇適當的電感值，使得輸入回路在電路的工作頻率附近產生諧振，從而抵消掉輸入阻抗的虛部。在圖1中LNA的輸入阻抗為：

(1)

當處于諧振狀態時： (2)

那么： (3)

輸入阻抗呈現純電阻特性，其值由L_s和確定。由分析可知應用Inductive-degenerate cascode結構輸入阻抗得到一個50Ω的實部，但是這個實部并不是真正的電阻，因而不會產生噪聲，所以很適合作為射頻LNA的輸入極。

3、高穩定度的LNA

cascode結構在射頻LNA設計中得到廣泛應用，但是當工作頻率較高時由于不能忽略MOS管的寄生電容C_gd，因而使得整個電路的穩定特性變差。對于單個晶體管可通過在其輸入端串聯一個小的電阻或在輸出端并聯一個大的電阻來提高穩定度，但是由于新增加的電阻將使噪聲值變壞，因此這一技術不能用于低噪聲放大器。

文獻^[3]對cascode結構提出了改進，在圖1的基礎上通過在M2管的柵極接上一個小值的電感L_g2就可以實現在增益不變的情況下，提高電路的穩定性，同時在M2管的漏極上接一個小值的電阻以調節電壓增益如圖2(a)所示。(b)所示的是小信號等效電路，其中Z1代表省略部分的等效阻抗，可以看到由于M2管的寄生電容C_gd2的值比較小，所以對于輸出端阻抗而言，L_g2幾乎可以忽略。因為放大器的增益等于輸出阻抗和輸入阻抗值之比，所以增加L_g2后并沒有影響LNA的增益，電壓增益為：

(4)

其中Z_Load=jwL_out//(jwC_out)^-1//R_out，Z_s是源端電感L_S的阻抗。

放大器的穩定系數為^[3]

 （5）
其中Δ= S₁₁S₂₂-S₁₂S₂₁ （6）

穩定系數K能快速給出穩定性判別依據，當K>1，|Δ|<1時，LNA將會無條件穩定。那么由公式(5)和(6)可知，若反向增益S₁₂減小，那么K值將會增大，LNA將會增加穩定性。從圖2(b)可以看到，由電感L_g2和MOS管的電容C_gd2組成一個低電阻通路使得從輸出端反饋回來的信號流向接地端，從而降低了反向增益S₁₂，提高了LNA的穩定度^[3]。

4、偏置電流復用結構

現代無線通信設備要求具有更小尺寸，更輕重量，更長的待機時間。這就要求降低射頻前端的電源電壓，因此低電壓、低功耗技術成為迫切需要。由公式(3)可知當輸入端處于諧振時L_s=R_sC_gs/g_ml，其中C_gs是圖1中M1管柵極和源極之間的電容，g_ml是M1管的跨導，則LNA的噪聲系數為[4]：

（7）

由(7)可知增大gml可以減小噪聲系數。圖1所示的cascode結構可以獲得較小的噪聲系數，但是往往需要比較大的漏極電流Id，增大了直流功耗。文獻[4]中提出了偏置電流復用技術，其基本思想是：為了節省直流功耗，可以將PMOS管和NMOS管串聯在直流偏置通路里，對其結構的說明如圖3所示。

圖3(a)所示的單個NMOS器件的寬長比和漏極電流I_d都是(b)所示的單個NMOS的兩倍，但由于兩個NMOS并聯，因此(a)和(b)具有相同的跨導值g_m。(c)中的M2是PMOS管，且和(b)中的NMOS管具有相同的寬長比，由于PMOS器件的電子遷移率比NMOS稍低^[2]，所以g_mc=(g_ml+g_m2)m，即其跨導值略低，而它的輸入電容和C_gs近似。由(7)式可知(c)電路結構的噪聲系數將略增一點，但是由于電流減小了一半，因此在電源電壓一定的情況下能夠有效降低電路的功耗，有利于低功耗LNA設計。

參考文獻 

[1]   Pietro Andreani, Henrik Sjoland. Noise optimization o f an inductively degenerted CMOS low noise amplifier [ J ] . IEEE Trans. On Circuits and Systems, 2001, 48 ( 9) : 835 841.
[2]   Thomas H . Lee. CMOS 射頻集成電路設計[ M ] .北京: 電子工業出版社, 2002, 220 248.
[3]   Seyed Hossein Miri Lavasani, Sayfe Kiaei. A new method to stabilize high frequency high gain CMOSLNA [ J ] . IEEE Conference on Circuits and Systems, 2003, 982 985.
[4]   Andrew N. Karanicolas A 21 7 V 900 M Hz CMOS LNA and mixer [ J] . IEEE Journal of So lid state Circuits, 1998, 31 ( 12) : 1939 1944.

作者：楊國敏，肖高標