射頻低噪聲放大器電路的結構設計

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(gè)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(mǎn)足：

(1)較高的線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信設備的發(fā)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，因為這種結構能夠增加LNA的增益，降低噪聲系數，同時(shí)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(gè)電感L_g和L_s，通過(guò)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(chǎn)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(tài)時(shí)： (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(gè)50Ω的實(shí)部，但是這個(gè)實(shí)部并不是真正的電阻，因而不會(huì )產(chǎn)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(shí)由于不能忽略MOS管的寄生電容C_gd，因而使得整個(gè)電路的穩定特性變差。對于單個(gè)晶體管可通過(guò)在其輸入端串聯(lián)一個(gè)小的電阻或在輸出端并聯(lián)一個(gè)大的電阻來(lái)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(shù)不能用于低噪聲放大器。

文獻對cascode結構提出了改進(jìn)，在圖1的基礎上通過(guò)在M2管的柵極接上一個(gè)小值的電感L_g2就可以實(shí)現在增益不變的情況下，提高電路的穩定性，同時(shí)在M2管的漏極上接一個(gè)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(méi)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。