低功耗LNA设计

　　摘要：为了应对低功耗电路设计要求，提出了一个在低功耗要求下CMOS低噪声放大器的设计方法。使用该方法在0.18μm CMOS集成工艺下，设计一款低噪声放大器，并在ADS中进行前仿真。

　　引言

　　在进行信号接收时，噪声成为制约接收机灵敏度的主要因素。接收机的低噪声设计十分重要。作为第一级有源放大的低噪声放大器，除了噪声系数低以外，还需要有一定的增效以抑制后继的噪声。共源共栅结构(cascode)能很好地满足上述的应用。目前在低功耗的约束下，传统LNA设计方法遇到困难。本文在输入阻抗匹配下，给出低功耗LNA的设计流程，并讨论各种参数影响。　　

　　结构分析

　　如图1所示的cascode结构中，L_d和L_s是片上电感，L^g是片外电感。M₁是放大管，共栅极放大器M₂作用是消除Miller效应的影响，增加反向隔离度。增加了M₂后，提高了放大器的稳定性，但也引入了一定的非线性和噪声。L_d和电容在所需要的频率上谐振，获得比较高的增益。该结构从信号源看到的输入阻抗为：
        　　(1)

　　调整L_s可以获得好的阻抗配置，调整L_g和C_gs可以使上式的虚部抵消。由于可以调节二个参数L和C，所以该结构的优点是：在满足输入阻抗匹配的情况下还可以优化噪声系数。由二端口噪声理论可知，二端口网络在噪声匹配时可以达到最小噪声系数F_min。

        　　(2)

　　式(2)中γ、δ、c是和工艺相关的常数。

　　由于源阻抗固定为50Ω，所以可以改变网络的Z_opt以适应Z_s，以此可以优化噪声。　　

         　　(3)

　　由式(3)得为了获得最小的噪声系数，需要非常大的器件尺寸和直流功耗，该方法在实际应用中不实用。为了避免过大的器件尺寸和过大的直流功耗，应该在给定的功耗条件下优化噪声系数。　　

        　　(4) 

        　　(5)

　　将式(4)代入式(5)，F就成了ρ和P_D的函数。对于给定的P_D可以找到使F最小的ρ值，进而得到相应的Q_L和C_gs。实际可以使用图表法求解。