低功耗2.4GHz 0.18umCMOS全集成低噪声放大器设计

摘　要：我们利用0.18um CMOS 工艺设计了低噪声放大器。所有电感采用片上螺旋电感， 全集成在单个芯片上， 并实现片内50欧姆匹配。本次电路设计分析采用ADS 仿真软件， 电源电压1V ， 工作电流8mA ，增益为15.4dB， 噪声系数2.7dB， 线性度指标IIP3 为- 0.6dB。结论是CMOS工艺在工艺和模型方面的改进， 使得CMOS RF 电路设计更为精确，可集成度更高。

关键词：CMOS射频集成电路；低噪声放大器；噪声系数

引言

快速增长的无线通信市场，使对低功耗和低价格的接收机芯片组的需求越来越大。以往的接收机大都是利用砷化镓或双极性硅工艺实现的功率放大器、混频器、低噪声放大器等射频电路与CMOS工艺实现的中频和基带电路进行混合集成。并且，那些射频电路主要由分离元件或低集成度的射频芯片构成的。近年来， 随着特征尺寸的不断减小， 0.18um CMOS工艺MOSFET的特征频率已经达到50GHz以上， 使得利用CMOS工艺实现GHz频段的高频模拟电路成为可能。此外， 无线接收机小型化和低价格的发展趋势， 推动着收发机射频电路和基带电路的单片集成。在这方面硅工艺特别是CMOS工艺较砷化镓有很强的优势， 就是说， 只有利用CMOS工艺， 才有可能将射频、中频， 以及基带部分的电路全部集成到一块芯片上。由于接收机越来越多的使用在小型移动设备上， 因此低功耗是一个未来的发展要求。此前很多文献中，低噪声放大器的设计采用的是片外的输入输出匹配， 以及采用了键合线电感。本文采用了片内匹配， 并且采用螺旋电感， 所有电感全部集成在片内。给出了一个电压为1V ， 功耗为8mW的低噪声放大器。

电路设计原理

基于CMOS工艺的低噪声放大器设计一般采用经典的共源共栅级联结构，通过减小密勒效应，增加反向隔离度。如图1 所示。该结构由两个MOSFET ， 即M1和M2组成。输入级M1的源极接电感Ls形成源极去耦结构，栅极接电感Lg调整输入电路的谐振频点。本次设计均采用片内螺旋电感，由于电感的Q 值不高，因此在设计时的主要难点在增益、噪声系数和线性度之间的平衡。作为接收机的第一级， 噪声系数对整个接收机的影响很大，因此一般噪声系数低于3dB， 增益一般为15dB左右。

图1　共源共栅结构

该结构谐振时的输入阻抗为:

该结构使用等效电阻实现与信号源的阻抗匹配而无须引入实际电阻，从而在保证输入端匹配的条件下不引入额外噪声。根据文献M1的噪声系数由下式确定　
　
其中Rl， Rg 分别代表Lg 的电阻和M1 的栅电阻，Rs代表信号源电阻，此处Rs= 50欧姆； 此外


其中， g_d0为MOS管零偏置时的漏极电导:


其中，C，D均为常数， 其值由工艺以及漏源电压等参数决定， 并且

在特定频率X0 下由管子的尺寸唯一确定。分析式(2) 可知Q l 存在一个最佳值， 使得NF 取最小值， 在给定功耗条件下， 可以确定M1 的最佳栅宽， Ls 和Lg。设定工作电流为8mA ，电源电压为1V。用Matlab 三维仿真结果如图2所示。


图2　NF与M1栅宽和Ql之间的关系

仿真结果

在本次设计中经过优化后， 主要参数选择如下:栅宽是170um，Ls 为1nH 左右，Lg 较大， 为8nH。通过仿真得到的结果如表1。

表1　214GHz LNA 仿真结果


图3 给出了仿真结果(采用ADS 电路仿真工具)
(1) 图3(a)和(b)为S11与S22参数曲线， 分别表示输入端口与输出端口匹配程度， 其输入反射系数到达-24dB， 输出反射系数达到-30dB， 实现了较好的匹配。
(2) 图3(c)为S21参数曲线，表示电路的增益，由图可知其增益为15.3dB。
(3) 图3(d)为噪声系数曲线，在中心频率2.4GHz处其噪声系数为2.69dB，低于3dB。对于Lg用片内螺旋电感实现，由于Q值不高， 因此噪声系数低于3dB是合理的。
(4) 图3(e)表示对电路稳定性的衡量，K >1，表示绝对稳定。


　　


图3 仿真结果

版图设计

版图设计采用了Cadence 公司的软件。在设计低功耗2.4GHz 0.18um CMOS全集成低噪声放大器设计中，对于高频信号，采用八边形焊盘，并且尽量使用顶层金属，这样以减少寄生电容，减少耦合引起的损耗。整个版图如图4 所示。由于本次设计中所有的电感都是在片集成电感，因此，面积比较大。此外，0.18umCMOS工艺电感采用顶层金属以提高电感Q值，但是由于寄生效应， 在片集成电感的Q 值比较低时会引入噪声。

图4　LAN 的版图

结论

本文通过理论推导，及ADS 的仿真，设计出符合设计要求的低噪声放大器。并且满足了低功耗和全集成的要求。随着最小线宽不断减小，以及电感工艺的不断改进，0.18umCMOS 工艺已经可以全部利用片上电感设计出符合设计要求的射频电路。