1 导言
跟着无线通信技能的小断开展，系统要求更高的集成度，更强的功用以及更低的功耗。一起，CMOS技能现已开展到深亚微米水平，使得CMOS器材的高频特性得到进一步改进，现已能与锗硅和砷化钾器材相媲美。别的，CMOS器材在功耗上占有优势，因而深亚微米的CMOS技能在无线通信系统中很有使用潜力。在射频接收机中，低噪声扩大器（LNA）占有重要方位，他在扩大输入的弱小信号的一起按捺随同的噪声。因而，低噪声系数与高增益是LNA的两个重要目标，当然这两个目标还要与功耗、线性度、输入输出匹配及小作业电流时的无条件稳定性彼此折衷。
常见的CMOS低噪声扩大器有差分输入（superhete-rodyne）、共栅（common-gate）、共源共栅（cascode）三种结构。差分LNA具有低噪声系数（NF）和有用按捺共模搅扰的特色，但关于相同的噪声系数，差分扩大器的功耗是单端扩大器的两倍，而且所占芯片面积较大；共栅扩大器输入阻抗匹配简单完成，具有较好的反相隔离度和稳定性，但噪声系数较大；共源共栅扩大器能够供给一个较高的增益和反相隔离度，但其增益和噪声系数遭到共源级的漏级衬底寄生效应的严重影响。
本文针对无线通信中蓝牙技能的重要频段，选用深亚微米技能TSMC 0.18μm CMOS工艺，规划了一种2.4 G的低噪声扩大器，并给出了ADS软件的仿真成果和评论。
2 电路规划
关于CMOS LNA来说，一般要求S21在10～20 dB间。假如增益太小，LNA不能将弱小的输入信号（-140～-40 dB，或0.03μV～3 mV）扩大到预订的值；假如增益太大，LNA又会影响下一级混频器的线性度。一般情况下，S11／S22应小于-10 dB，S12应满意小（《-20 dB）。此外，在输入输出端应进行阻抗匹配以进步功率增益。
本文选用的LNA电路结构如图1所示。LNA的偏置电路由Rref，M3及Rbias组成。晶体管M3与M1构成一个电流镜，而且他的宽度是M1宽度的几分之一，以使偏置电路的附加功耗减到最少。经过M3的电流由电源电压和Rref以及M3的Vgs决议。电阻Rbias的值（20 kΩ）满意大以使他的等效噪声电流小到足以被疏忽。
关于输入端，Cd是一个隔直流的电容，Ls为源级负反应电感。C1，Lg和C2组成一个π型网络。因为高的品质因数会导致芯片面积添加，而太低的品质因数会使电感损耗添加并使噪声系数NF变坏，选用π型网络匹配能够较好地处理以上对立。在π型网络中，首要挑选一个具有高品质因数、便于集成的电感Lg，其次核算C1，C2使其满意输入匹配要求。
疏忽反应支路Lf，Cf与Rf以及偏置电路的影响，LNA的输入阻抗为：
其间，Cgs1为M1的栅-源复盖电容；Zeff为π型网络的等效阻抗；gm1为M1在饱满区的跨导；ω为中心频率。
当输入阻抗与电压源阻抗Rs匹配时，应有：
关于共栅级M2，其输入阻抗为：
一般情况下M1与M2之间并无匹配，但因为共源级的输出阻抗与共栅级的输入阻抗都是容性，因而在两级间添加一个电感La匹配以进步增益。
关于输出端，C0是一个隔直流的电容；Lt，Ct与Rt构成输出匹配网络，与下一级电路匹配。
图1中Lf，cf与Rf构成电压并联负反应。为了补偿高频增益，有必要使高频时的负反应量削减，因而，并联反应网络有必要是理性而不能是容性的。电容Cf是隔直流电容，其容量满意大，在作业频带内可看过短路。因为共源共栅的输出阻抗很大，因而Rf的取值下限为900～1 100Ω，以便能在不添加噪声系数的前提下进步电路带宽。在反应电阻Rf确认之后，应使Lf在欲提高的频率处的阻抗值ωLf挨近Rf值，大致按ωLf=（0.2～5）Rf选取，使反应阻抗随频率改变较大，反应量改变大，频率特性改变显着。
关于LNA而言，噪声首要来源于闪耀噪声、热噪声和散粒噪声。其间，闪耀噪声又称为1／f噪声，首要来源于场效应管的氧化膜与硅触摸面的工艺缺点或其他原因，一般在射频下疏忽不计。热噪声是因为电子热运动引起的，在射频情况下其量值将随频率的升高而显着增大。散粒噪声的巨细正比于作业电流。因而，低噪声扩大器首要考虑热噪声与散粒噪声的影响。
在有功耗束缚情况下到达最小噪声系数时的信号源品质因数Qs为：
当QsP确认后，最优化器材宽度为：
关于宽度为Wopt，P的器材，可得功耗束缚范围内的噪声系数：
把f0=2.4 GHz，Rs=50Ω，L=0.18 μm代入式（6）可得最小噪声系数时的沟道宽度大约为289 μm。因为最小噪声系数时的沟道宽度与最大增益时的沟道宽度并不共同，因而应挑选适宜的沟道宽度在最小噪声系数与最大增益之间折衷。
3 软件仿真
本文运用TSMC 0.18 μm CMOS工艺库，选用Agi-lent公司的ADS进行仿真，电路器材参数及取值如表1所示。
仿真如图2所示，在中心频率为2.4 G时，电路功率增益S21为15.15 dB，隔离度S12为-33.03 dB，输入与输出反射系数分别为-36.70 dB与-50.32 dB，噪声系数仅为0.62 dB。1.8 V时直流功耗为7.9 mW。这些目标能很好地满意RF电路对低噪声扩大器的规划要求。
4 结 语
从仿真成果能够看出，在共源共栅结构的基础上一起选用级间匹配、π型网络以及电压并联负反应的低噪声扩大器输入输出匹配杰出，这反映在电路的噪声系数到达了很好的水平，增益比不选用级间匹配和电压并联负反应时添加了约2 dB左右，到达规划要求。
选用此结构规划的深亚微米CMOS射频低噪声扩大器，因为规划中充分考虑了功耗、增益、噪声系数、线性度及品质因数之间的折衷联系，所以到达的规划功能优秀。在深亚微米水平上完成低噪声扩大器的规划具有重要意义，在大规模数模混合集成电路中很有使用潜力。
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