一、LNA与一般放大器的区别

LNA低噪声放大器,顾名思义,它具有输入噪声低的特点。LNA一般用于射频接收机的前端,接收特定频率的小信号,通过放大后进入下一级混频。因此除了放大功能外,LNA有以下几点不同:

  • 输入端含有50欧姆的源负载$R_s$,需要做输入匹配达到最大的输入功率传输效率
  • 输出端含有50欧姆的负载$R_L$,需要做输出匹配达到最大的输出功率传输效率
  • 需要对特定频率做选择,内部有电容电感原件
  • 噪声系数NF是重要指标

设计过程中碰到的难点主要有两个:一、如何确定电路的结构?二、如何调参数满足设计要求。

二、设计要求

LNA的工作频率为1.7~1.8GHz,工作电压2.7V,且满足:

S11(dB) S12(dB) S21(dB) S22(dB) NF(dB) IIP3(dBm) current
<-10 <-20 >20 <-10 <2 >-10 <10mA

current表示静态电流要小于10mA,S21就是我们常说的放大增益20dB=10倍。S12表示输出信号对输入信号的干扰,它要越小越好,称为反向隔离度。S11和S22分别为输入输出的反馈系数,也尽量越小越好。噪声系数是所有的输出噪声折合到等效输入噪声和源噪声的比值:
$$
NF=\frac{\overline{dV_{out}^2}}{A^2 }\frac{1}{4kTR_s}<2dB=1.585
$$
最后是IIP3,表示3阶效应导致的输出功率和线性放大的输出功率相等时的输入功率,它要大于$-10dBm=1mW \times 10^{-10/10}=0.1mW$。IIP3越大,表示线性度越好。

三、结构选择

查找了很多相关资料,包括Razavi的《RF Microelectronics》 第二版, 迟保勇的《CMOS射频集成电路分析与设计》,要么结构太抽象,要么太复杂。终于在bing上搜到一篇简单入门的计算样例,手把手计算电路参数:Tutorial2_LNAS_TSEK03_Typed

仿照它的结构,最后确定了自己的电路结构:

schematic.jpg

它采用带源极负反馈的cascode结构,该结构不用引入额外的电阻做输入匹配,而是用巧妙利用了电感$L_s,L_g$和栅电容$C_{gs}$等无噪声器件,大大减小了噪声系数:

  • $C_c$为隔直电容,$L_g$和$L_s$用于匹配输入阻抗$R_s=50\Omega$。
  • $L_d,C_L,R_o$用于匹配输出阻抗$R_L=50\Omega$。$R_o$约等于1k,可适当减小来增大线性度$IIP_3$。
  • $M_2$是cascode管能够隔离输入输出,增大反向隔离的程度。$M_1$是放大管,其宽度对lna的性能影响很大。
  • $M_3$和$R_f,R_b$提供恰当的偏置电压。

四、参数调节

仿真采用的NMOS管是老师经过加工后的管子,只能调节管子figure数fin和并联数mul,本质就是调节管子宽度W。调节时的中心频率是1.75GHz。

需要调节的参数挺多:$L_s,L_g,L_d,C_L,R_o,fin,mul$,该如何拨云见日,逐步确定这些参数呢?如果不满足设计要求,又该如何微调?它们之间是如何影响的?

这个问题困扰了我很久,终于在某次等车的得到灵感:其实真正的确定指标的参数只有两个:NMOS的宽度W和流过的电流。这两个参数如果确定,可以通过输入输出匹配确定$L_s,L_g,L_d,C_L$。如果性能仍有差距,那么可以微调$R_o$或mul(电流),再重新匹配输入输出阻抗。

1、$fin,mul$的确定

Gmax仿真是与匹配无关的增益,可以扫描栅极偏置电压,确定其值多大的时候能达到平缓的增益平台和小于10mA的电流。
1_Gmax.jpg
上图是fin=6,mul=12时,扫描M1栅极电压得到的$G_{max}$和静态电流曲线。可以看出,当偏置电压为1.2V时,增益$G_{max}=20dB,I_d=6.3mA$,满足设计要求。

2、$L_s,L_g$的确定

接下来通过史密斯圆图的方法做输入的阻抗匹配。

先让lg(如0.1n)很小,扫ls,让其经过模50欧姆的阻抗圆,取交点处的电感值0.8n。

3_s11a.jpg

令ls为0.8n,再扫lg,让其经过50欧姆的中心点,取交点处的电感值24.8n。

3_s11b.jpg

图中的曲线没有经过中心点,需要微调ls,当lg=1.05n时经过中心点,lg=24.8n

3_s11c.jpg

3、$L_d,C_L$的确定

先让cl(如100p)很大,扫ld,让其经过模50欧姆的阻抗圆,取交点处的电感值19.4n。

3_s22a.jpg

令ld=19.4n再扫cl,让其经过50欧姆的中心点,取交点处的电容0.328p。必要的时候还需要微调ld。
3_s22b.jpg

4、IIP3调节

阻抗匹配好之后,S11、S12、S21、S22、NF的要求基本能满足,但IIP3令人头疼:
3_iip3.jpg
图中的IIP3为-15dBm,小于-10dBm,不达标。

经过艰难的探索,发现可以适当减小Ro至700欧姆,重新调整输出阻抗匹配,得到符合指标的LNA。

4_lna_cell.jpg

五、仿真结果

1、DC直流工作点

3_dc.png
总电流为$7.3mA<10mA$,放大管偏置电压$V_g=1.20V$,饱和电压$V_{dsat}=0.28V$。

最终的各性能曲线如下:
3_sxxiip3.jpg

参数 指标要求 仿真数值
工作频率 1.7-1.8GHz 1.75GHz
S11 <-10dB -32.3dB
S12 <-20dB -37.0dB
S21 >20dB 20.5dB
S22 <-10dB -14.7dB
NF <2dB 0.823dB
IIP3 >-10dBm -9.5dBm

六、回顾

射频是这学期最费心力的课,不像模大可以找到手把手推导的资料,需要有摸索的过程,颇有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”的感觉。

标签: 电路, 射频

已有 2 条评论

  1. 射频打工人 射频打工人

    请问用的什么工艺库呢

  2. fallenangel fallenangel

    这管子是老师修改过的,看不到参数,只能调finger和m,似乎是180或130nm。

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