無(wú)增益折衷的CMOS LNA輸入匹配網(wǎng)絡(luò )

如今，大多數無(wú)線(xiàn)接收器通常都需要有高增益的LNA。作為接收器鏈中的第一個(gè)有源組件（active block），LNA應該提供足夠的增益，以克服后續級帶來(lái)的噪聲，并盡可能減少噪聲。然而，在一些如IEEE 802.15.4的無(wú)線(xiàn)標準中，LNA的噪聲系數（NF）不是一個(gè)關(guān)鍵的性能參數^1，2。NF要求可以適當放寬，以?xún)?yōu)化其他設計參數，如增益、功耗和芯片面積。在這篇文章中提出的LNA是專(zhuān)門(mén)為IEEE 802.15.4標準設計的。

流行的LNA拓撲結構是源極電感負反饋（inductive source-degeneration）共源LNA（LCSLNA）、共柵LNA（CGLNA）和電阻反饋LNA（RFLNA）。由于其方便的輸入匹配、高增益和低噪聲，L-CSLNA通常是超低功耗窄帶應用的首選^3-6。但是，其增益性能會(huì )受到輸入匹配條件的限制。在L-CSLNA的高增益和良好的輸入匹配之間存在一個(gè)折衷問(wèn)題。在這篇文章中，提出的LNA的輸入匹配是通過(guò)一個(gè)電容反饋方案和一個(gè)Л匹配網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的。相比L-CSLNA，電容反饋有助于減少輸入匹配所需的電感數目。此外，利用Л匹配網(wǎng)絡(luò )可實(shí)現較高的增益和更大的設計自由度。Chung和Shahroury實(shí)現了利用電容反饋進(jìn)行輸入匹配的概念⁷。不過(guò)，所使用的LNA采用的是非級聯(lián)結構。為了實(shí)現高反向隔離，它利用了一個(gè)多級結構，這導致了非常高的功耗。提出的LNA采用單級級聯(lián)結構，給出了輸入匹配、增益和NF的詳細分析。LNA是采用IBM 0.13μm RF CMOS技術(shù)實(shí)現的。

源極電感負反饋共源LNA

輸入阻抗分析的L-CSLNA原理圖及其等效小信號電路如圖1所示。C_Y包括節點(diǎn)Y的所有寄生電容，可以近似為：

R_Y是來(lái)自節點(diǎn)Y的M₂源的總阻抗，在此電路中，R_Y可近似為1/gm2，此處的gm2是晶體管M2的跨導。推導出的L-CSLNA的輸入阻抗是：

其中是工作頻率，Cgs1和Cgd1是寄生柵源和柵漏電容，gm1是晶體管M1的跨導。當 時(shí)，Zin_L可以簡(jiǎn)化為：

這與經(jīng)典結果是一致的。在諧振頻率，輸入阻抗Rin_L等于gm1Ls/Cgs1和晶體管gm1的跨導，可有效地提高Geff_Lgm1，其中Geff_L是：

0是諧振頻率。在輸入匹配條件下這個(gè)LNA的噪聲系數是：

在方程5中，RLg是電感Lg的寄生串聯(lián)電阻，Rg是晶體管M1的柵極電阻， ?和 分別是晶體管M1和M2的漏電流噪聲， 是輸入源電壓噪聲。大gm1和小Cgs1是實(shí)現高增益和低噪聲所必需的^4，5。由于輸入匹配條件，Ls的值通常相當小。小Ls的要求有時(shí)會(huì )成為L(cháng)NA設計的一個(gè)困擾，因為不是所有的電感值都適用于工藝設計套件（PDK）。

提出的具有匹配網(wǎng)絡(luò )的電容反饋CSLNA

Cheng⁷介紹的LNA使用了輸入器件的寄生柵漏電容和輸出電容CL，以形成電容反饋匹配網(wǎng)絡(luò )。只有一個(gè)電感用來(lái)實(shí)現輸入匹配。不過(guò)，該分析只適用于非級聯(lián)結構。對于CS拓撲結構，要有高反向隔離和良好的穩定性，級聯(lián)是首選的結構。在這里，介紹了級聯(lián)結構的分析。其原理如圖2所示?；谛⌒盘栯娐罚╞），級聯(lián)電容反饋LNA的輸入網(wǎng)絡(luò )可以轉換為一個(gè)包括Lg、Cf和Rf的串聯(lián)RLC匹配網(wǎng)絡(luò )。Cf和Rf的值可以推導得出：

且

Cx和Rx可以按以下方程計算

為了實(shí)現輸入匹配，Rf的設計等于Rs。此輸入匹配網(wǎng)絡(luò )的有效增益是：

該LNA在輸入條件觀(guān)看到的噪聲系數可以推導得出：

與L-CSLNA相比，電容反饋LNA需要的輸入匹配電感數量較少。但這樣做的好處伴隨著(zhù)較高NF的折衷問(wèn)題，這可以從方程5和11觀(guān)察到。從方程4和10看到，以上討論的兩個(gè)LNA的輸入網(wǎng)絡(luò )的有效增益受到了50 Ω匹配條件的限制。為了實(shí)現良好的輸入匹配，Rf和（gm1Ls/Cgs1）必須匹配到50 Ω。這將限制Geff_L和Geff_no_L的選擇，因此限制了這兩個(gè)LNA可實(shí)現的增益。在這兩個(gè)LNA中存在著(zhù)高增益和良好的輸入匹配之間折衷的問(wèn)題。