用ADS實(shí)現一個(gè)2.38GHz全集成化低噪聲放大器設計
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時(shí)間：2013-06-12
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
目前，在高達數GHz的RF頻段范圍內，廣泛使用的是GaAs MESFET LNAs，其優(yōu)點(diǎn)是能夠在功率增益高達20 dB的同時(shí)，使噪聲系數低至大約1 dB。但隨著(zhù)CMOS電路技術(shù)的成熟，近來(lái)對RF CMOS電路元件的研究成果越來(lái)越多，在無(wú)線(xiàn)通信系統上也已經(jīng)實(shí)現了SoC化。如果CMOS制造技術(shù)能克服噪聲大，功率損耗大等缺點(diǎn)，憑借其低廉的價(jià)格，CMOS LNAs將有可能在數GHz的RF頻段范圍內，逐漸取代GaAs MESFET LNAs。
由于LNAs通常位于整個(gè)接收電路的第一級，由式(1)可以看出，第一級的LNAs對于接收電路有很大的影響。所有在設計LNA電路時(shí)，應考慮降低噪聲，提高增益，輸入輸出阻抗匹配，降低功率損耗，提高線(xiàn)性度等重要因素。
如圖1所示，設計一個(gè)cascode型輸入的低噪聲放大器。圖中Ls及Lg用來(lái)實(shí)現輸入阻抗匹配，而調整Ld和Cout可以實(shí)現輸出阻抗匹配。Cin可以用來(lái)阻止輸入端的直流信號。
對于放大器的輸出，由于放大器使用LC并聯(lián)電路作為負載，所以當LC諧振在2.38 GHz時(shí)，理想的LC電路應呈現出開(kāi)路狀態(tài)，此時(shí)負載最大，增益也最大。但是電路的增益仍然受到電感和電容的Q值影響，所以在進(jìn)行軟件仿真時(shí)還需通過(guò)調整電感電容值來(lái)調整LNA的中心頻率。
3 本LNA中無(wú)源器件的結構
由于此設計采用全集成化設計，所以無(wú)源器件都用CMOS工藝制作在芯片內部，即內嵌式(on-chip)。
3.1 電感結構
此電路中電感采用內嵌式螺旋電感。采用內嵌式電感可以節約面積，提高電路集成度，但是卻犧牲了Q值，并且在CMOS工藝中電感的制備比較難以控制，所以在實(shí)際layout時(shí)將螺旋電感的中心拿掉，因為越接近核心，電荷密度越大，但核心部分對電感值的貢獻不大，中心去掉不會(huì )對整個(gè)電感有太大影響，還可以提高Q值。
此電路中采用MIM(metal-insulator-metal)電容，是平板電容的一種變形，如圖3所示。這種電容的好處是容值較為固定，并且結構簡(jiǎn)單。相比一般平板電容，在上下級板中間多了一層CTM(Capacitor TopMetal)層，可以通過(guò)縮短兩極板之間的距離來(lái)提高容值或縮小電容所占面積。
在當前的CMOS工藝中，根據不同的材料和制備工藝，常用的電阻有Well電阻、Poly電阻、Diffusion電阻和Metal電阻。各種電阻的導電層特性如下：
4 仿真設計
(1)確定設計目標。本文中電路工作在藍牙系統中，工作頻率為2.38 GHz，設計一個(gè)超低噪聲以及超高增益的LNA電路。
(2)設計電路結構。本電路基本結構為cascode單級放大電路，再加上一些周邊的匹配電路和電壓偏置電路來(lái)構成LNA電路。
(3)本文使用安捷倫的ADS系統來(lái)做高頻仿真，使用0.25μm的RF模型。主要仿真S參數、噪聲系數、線(xiàn)性度、功率增益等LNA電路的重要參數。
(4)根據0.25μm制造工藝的layout規則來(lái)設計電路中的各個(gè)元件，并且盡量做到電路對稱(chēng)。
5 仿真結果
本文電路使用0.25μm制造工藝，電源電壓2.5 V，工作頻率2.38 GHz的全集成化單端LNA電路。
5.1 S參數仿真
圖4是此電路在ADS中的仿真結果，圖4(a)中S11是電路輸入反射系數，為-12.203 dB；圖4(b)中S12為電路的隔絕度(isolation)，避免LNA下一級的反射信號影響到LNA輸入端的信號，本電路中為-24.67 dB；圖4(c)中S21表示電路的功率增益，其值為20.47 dB；圖4(d)中S22為輸出反射系數，大約為-22.33 dB。
一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)系統的線(xiàn)性度越高越好，但是電路中含有晶體管等非線(xiàn)性有源器件，所以在LNA電路工作在較高功率時(shí)，輸出會(huì )產(chǎn)生非線(xiàn)性失真。在仿真時(shí)，為了表示線(xiàn)性度，定義出一個(gè)1 dB點(diǎn)，表示輸出相比輸入壓縮了1 dB。由圖5中可以看出，1 dB點(diǎn)出現的越靠后，說(shuō)明線(xiàn)性度越好。本電路仿真出的1 dB點(diǎn)在-25 dBm的位置。
噪聲系數是關(guān)系到一個(gè)放大器性能好壞的重要參數，其定義為輸入信噪比和輸出信噪比的比值：
6 結語(yǔ)
設計射頻電路的LNA，在開(kāi)始設計的時(shí)候就要考慮很多因素，例如為了提高增益，便要增加功率消耗，為了與下一級耦合，可能會(huì )影響整個(gè)LNA性能。通過(guò)綜合的平衡，才能設計出滿(mǎn)足不同性能需求的低噪聲放大電路。本文設計的電路，在提供20 dB高增益的同時(shí)，只有1.5 dB的噪聲系數，達到了設計要求。
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