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无增益折衷的CMOS LNA输入匹配网络

作者:时间:2013-10-17来源:网络收藏

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/259682.htm

如今,大多数无线接收器通常都需要有高增益的。作为接收器链中的第一个有源组件(active block),应该提供足够的增益,以克服后续级带来的噪声,并尽可能减少噪声。然而,在一些如IEEE 802.15.4的无线标准中,的噪声系数(NF)不是一个关键的性能参数1,2。NF要求可以适当放宽,以优化其他设计参数,如增益、功耗和芯片面积。在这篇文章中提出的LNA是专门为IEEE 802.15.4标准设计的。

流行的LNA拓扑结构是(inductive source-degeneration)共源LNA(LCSLNA)、共栅LNA(CGLNA)和电阻反馈LNA(RFLNA)。由于其方便的输入匹配、高增益和低噪声,L-CSLNA通常是超低功耗窄带应用的首选3-6。但是,其增益性能会受到输入匹配条件的限制。在L-CSLNA的高增益和良好的输入匹配之间存在一个折衷问题。在这篇文章中,提出的LNA的输入匹配是通过一个电容反馈方案和一个Л实现的。相比L-CSLNA,电容反馈有助于减少输入匹配所需的电感数目。此外,利用Л可实现较高的增益和更大的设计自由度。Chung和Shahroury实现了利用电容反馈进行输入匹配的概念7。不过,所使用的LNA采用的是非级联结构。为了实现高反向隔离,它利用了一个多级结构,这导致了非常高的功耗。提出的LNA采用单级级联结构,给出了输入匹配、增益和NF的详细分析。LNA是采用IBM 0.13μm RF CMOS技术实现的。

共源LNA

输入阻抗分析的L-CSLNA原理图及其等效小信号电路如图1所示。CY包括节点Y的所有寄生电容,可以近似为:

RY是来自节点Y的M2源的总阻抗,在此电路中,RY可近似为1/gm2,此处的gm2是晶体管M2的跨导。推导出的L-CSLNA的输入阻抗是:

其中是工作频率,Cgs1和Cgd1是寄生栅源和栅漏电容,gm1是晶体管M1的跨导。当 时,Zin_L可以简化为:

这与经典结果是一致的。在谐振频率,输入阻抗Rin_L等于gm1Ls/Cgs1和晶体管gm1的跨导,可有效地提高Geff_Lgm1,其中Geff_L是:

0是谐振频率。在输入匹配条件下这个LNA的噪声系数是:

在方程5中,RLg是电感Lg的寄生串联电阻,Rg是晶体管M1的栅极电阻, 和 分别是晶体管M1和M2的漏电流噪声, 是输入源电压噪声。大gm1和小Cgs1是实现高增益和低噪声所必需的4,5。由于输入匹配条件,Ls的值通常相当小。小Ls的要求有时会成为LNA设计的一个困扰,因为不是所有的电感值都适用于工艺设计套件(PDK)。

提出的具有的电容反馈CSLNA

Cheng7介绍的LNA使用了输入器件的寄生栅漏电容和输出电容CL,以形成电容反馈匹配网络。只有一个电感用来实现输入匹配。不过,该分析只适用于非级联结构。对于CS拓扑结构,要有高反向隔离和良好的稳定性,级联是首选的结构。在这里,介绍了级联结构的分析。其原理如图2所示。基于小信号电路(b),级联电容反馈LNA的输入网络可以转换为一个包括Lg、Cf和Rf的串联RLC匹配网络。Cf和Rf的值可以推导得出:

Cx和Rx可以按以下方程计算

为了实现输入匹配,Rf的设计等于Rs。此输入匹配网络的有效增益是:

LNA在输入条件观看到的噪声系数可以推导得出:

L-CSLNA相比,电容反馈LNA需要的输入匹配电感数量较少。但这样做的好处伴随着较高NF的折衷问题,这可以从方程5和11观察到。从方程4和10看到,以上讨论的两个LNA的输入网络的有效增益受到了50 Ω匹配条件的限制。为了实现良好的输入匹配,Rf和(gm1Ls/Cgs1)必须匹配到50 Ω。这将限制Geff_L和Geff_no_L的选择,因此限制了这两个LNA可实现的增益。在这两个LNA中存在着高增益和良好的输入匹配之间折衷的问题。


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