摘要 介绍了低噪声扩大器
的根本作业原理，并对噪声源进行了剖析。提出了选用先进的TSMC90 nm工艺，规划了一种依据WCDMA接纳机体系的全差分拓扑共源共栅型低噪声扩大器。该扩大器片内集成了电感、电容。片外装备匹配网络。芯片测验成果标明：电路在2 GHz作业频率下，电压增益到达20 dB、噪声系数NF为1.4 dB、IIP3为-3.43 dBm。归纳各项数据标明，该低噪声扩大器具有杰出的功能，可广泛适用于通讯体系之中。
跟着半导体技能和无线通讯技能的开展，无线移动产品已得到广泛运用。作为无线信息接纳的最前端部件，低噪声扩大器具有其特别的方位和效果，其功能尤其是噪声系数简直决议了整个接纳链路的噪声功能。本文侧重从安稳性、噪声源、线性度、匹配网路要害点进行剖析，并针对WCDMA接纳机体系运用，规划了低噪声扩大器，电路选用TSMC90nmCMOS工艺。芯片测验成果标明，该低噪声扩大器，电压增益到达20 dB、噪声系数NF为1.4 dB、IIP3为-3.43 dBm。
1 低噪声扩大器作业原理
低噪声扩大器规划难点首要在于高增益、低噪声系数、高安稳性、低功耗以及杰出输入输出匹配网路等要害目标上的平衡。下面侧重从这些要害功能上，对低噪声扩大器电路进行剖析。
1.1 输入阻抗剖析
低噪声扩大器LNA输入级结构一般为图1所示。输入MOS晶体管源级接电感L，栅极电感lg以及电容Cs为匹配网络。从图1电路剖析得LNA输入阻抗Zin
式中，Cgs为输入晶体管的栅源寄生电容;gm为跨导，依据TSMC工艺技能文档可查，此输入管作业电流为2.65 mA，偏置电压为2.25 V的状况下，特征频率ωT约为30 GHz，因而可通过ls值来匹配出50 Ω纯电阻，Zin的虚部则可与Cs和lg匹配，使得Z’in的虚部为零。
若不考虑谐振作业频率而只考虑源阻抗匹配则无需lg电感，但LNA是窄带作业，因而有必要保证在作业频率上谐振与lg效果相同。匹配网络本身具有增益，在作业频率上最好使得匹配网络的增益到达最高，即匹配网络谐振也有必要在作业频率上。在规划过程中可通过调查，LNA和匹配网络各自的电压增益曲线来进行验证。依据作业频率2 GHz和阻抗匹配确认lg为22 nH，Cs为10 pF。图4为匹配网络电压增益。
1.2 噪声剖析
图1匹配网络下LNA的噪声剖析。其噪声源首要有MOS管的沟道噪声，电感lg的串联寄生电阻和MOS管栅极多晶电阻Rg的热噪声，以及信号源内阻的热噪声。沟道噪声
规划时需考虑匹配网络上的电感lg存在寄生电阻的，即电感的Q值不或许是无穷大，所以要尽量选用Q值高的电感运用。别的，还需尽量减小MOS管的栅极多晶电阻，在画地图时栅极输入线应尽或许短或减小衔接孔电阻，而从噪声系数表达式看，也可通过调理gdo和特征频率来下降噪声系数。
1.3 线性度剖析
线性度是低噪声扩大器的一个重要目标，怎么进步系线性度是规划的难点。图1中输入晶体管源极所接电感ls一方面起着输入阻抗匹配的效果，一起也可用以进步扩大器的线性度，到达源极负反馈进步线性度的效果。输入晶体管的电流为
从式中可看出，若电感的阻抗远大于跨导的倒数，则电流是跨导的弱函数，而与输入电压可近似为线性关系。规划时可适当增大跨导gm，但功率不能过高，一起器材尺度不行过大，以防止因线性度进步而导致其他目标变差。
1.4 增益和阻隔度剖析
增益是低噪声扩大器的原则性目标，怎么进步其增益而不下降其他功能，是剖析和规划的要点。图1共源管的寄生电容Cgd等效栅到地的电容和漏到地的电容别离为C1、C2。
C2≈A×Cgd，此刻的C2直接为输出端的寄生电容，共源管的沟到电流将由C2和负载分流，负载阻抗值较大，而电容C2越大阻抗越小，然后分的电流也将越大，这也将下降增益，并将影响输出谐振网络。别的输入和输出可直接通过Cgd在高频下构成信号通路，这使得逆向阻隔差乃至或许输入输出闭环不安稳。为了防止增益损耗和逆向阻隔差的问题，可选用共源共栅结构替代共源结构的低噪声扩大器LNA。在选用共栅管衔接之后因为共栅管的栅极高频下为虚地，因而寄生Cgd构成的信号通路将防止，然后改进了逆向阻隔功能且进步了安稳性。选用共栅衔接C2将变小为
一起从漏往上看的阻抗变为
，这便增大了阻抗的电流增益，并将进步LNA的电压增益。
2 全体电路规划
通过对低噪声扩大器LNA功能剖析，归纳规划了一个全差分拓扑型共源共栅结构的低噪声扩大器，电路主体结构如图3所示。电路选用全差分输入和输出，差分输入一方面可进步扩大器的增益，别的一方面可拓展扩大器的输入信号动态规模。选用共源共栅结构即可进步增益也可增强阻隔度。负载通过电感和电容组成，而并非选用电阻，意图是减小输出级噪声。此外，输出还需匹配网络，通过其在2 GHz频率下谐振，发生一个虚拟的负载电阻。电路中选用TSMC电感为4抽头射频器材，有利于差分结构的对称运用。
3 地图规划
全体上地图依照对称紧凑进行。同原理图相似，同样是上面布局为输出谐振电感，中心布局为电容和共源共栅扩大器以及偏置电路的电阻，为了彻底对称，偏置电路电阻选用了两个等值电阻并联，如图1所示。接下来布局为源级电感，最下方布局为偏置电路和电流镜的MOS晶体管，其W相同，仅仅finger数目不同，这有利于地图的对称和紧凑。地图连线上严厉依照电流密度来设定线宽，高频信号线选用135°折线衔接，衔接孔处尽量选用多孔衔接。因为不同的金属层的方位不同以及本身的单位长度上寄生电阻值的差异，因而选用金属层衔接需充沛考虑以上状况。金属5和金属6寄生电阻值小，且为顶层金属。因而电感和%&&&&&%选用以上两层金属衔接，地图上需尽量使差分输入线的寄生电阻小，LNA地图上充沛的加大了线宽和减小连线长度以此减小噪声。
4 芯片测验
电路通过TSMC90nm工艺代工流片。首要测验点有噪声系数、线性度、电压增益等目标。线性度反响的是信号通过低噪声扩大后的失真程度。其衡量目标有1 dB紧缩点和IIP3 dB紧缩点。1 dB紧缩点反响的是信号跟着强度添加，低噪声扩大器对信号非线性扩大。IIP3 dB是指信号频率邻近的搅扰信号同有用信号发生的三阶交条信号对有用信号的搅扰程度。选用瞬态测验，输入一个巨细为20 mV的2 GHz正弦信号，测验输出正弦信号的巨细以测得扩大器的增益。取30颗样片别离测验并记载其功能目标，电压增益、噪声系数、IIP3紧缩点测验成果别离如下图所示。计算成果剖析标明电路的一致性较高，满意运用要求。
5 结束语
文中依据Tsmc0.18μmCMOS工艺，规划了一个全差分的共源共栅低噪声扩大器。在电路片内集成电感，在地图上布局。经样片测验成果标明，该电路可获得安稳的输出功能，且一致性高。正常作业条件下，均匀电压增益到达20.4 dB，噪声系数为1.44dB，别的IIP3为-3.43 dBm。测验数据证明，该规划具有必定的推广性，可广泛运用于接纳机前端扩大。
