基于WCDMA接收机系统的低噪声放大器设计

摘要 介绍了低噪声放大器的基本工作原理，并对噪声源进行了分析。提出了采用先进的TSMC90 nm工艺，设计了一种基于WCDMA接收机系统的全差分拓扑共源共栅型低噪声放大器。该放大器片内集成了电感、电容。片外配置匹配网络。芯片测试结果表明：电路在2 GHz工作频率下，电压增益达到20 dB、噪声系数NF为1.4 dB、IIP3为-3.43 dBm。综合各项数据表明，该低噪声放大器具备良好的性能，可广泛适用于通讯系统之中。

随着半导体技术和无线通讯技术的发展，无线移动产品已得到广泛使用。作为无线信息接收的最前端部件，低噪声放大器具有其特殊的地位和作用，其性能尤其是噪声系数几乎决定了整个接收链路的噪声性能。本文着重从稳定性、噪声源、线性度、匹配网路关键点进行分析，并针对WCDMA接收机系统应用，设计了低噪声放大器，电路采用TSMC90nmCMOS工艺。芯片测试结果表明，该低噪声放大器，电压增益达到20 dB、噪声系数NF为1.4 dB、IIP3为-3.43 dBm。

1 低噪声放大器工作原理

低噪声放大器设计难点主要在于高增益、低噪声系数、高稳定性、低功耗以及良好输入输出匹配网路等关键指标上的平衡。下面着重从这些关键性能上，对低噪声放大器电路进行分析。

1.1 输入阻抗分析

低噪声放大器LNA输入级结构通常为图1所示。输入MOS晶体管源级接电感L，栅极电感lg以及电容Cs为匹配网络。从图1电路分析得LNA输入阻抗Zin

式中，Cgs为输入晶体管的栅源寄生电容;gm为跨导，根据TSMC工艺技术文档可查，此输入管工作电流为2.65 mA，偏置电压为2.25 V的情况下，特征频率ωT约为30 GHz，因此可通过ls值来匹配出50 Ω纯电阻，Zin的虚部则可与Cs和lg匹配，使得Z’in的虚部为零。

若不考虑谐振工作频率而只考虑源阻抗匹配则无需lg电感，但LNA是窄带工作，因此必须确保在工作频率上谐振与lg作用相同。匹配网络本身具有增益，在工作频率上最好使得匹配网络的增益达到最高，即匹配网络谐振也必须在工作频率上。在设计过程中可通过观察，LNA和匹配网络各自的电压增益曲线来进行验证。根据工作频率2 GHz和阻抗匹配确定lg为22 nH，Cs为10 pF。图4为匹配网络电压增益。

1.2 噪声分析

图1匹配网络下LNA的噪声分析。其噪声源主要有MOS管的沟道噪声，电感lg的串联寄生电阻和MOS管栅极多晶电阻Rg的热噪声，以及信号源内阻的热噪声。沟道噪声

设计时需考虑匹配网络上的电感lg存在寄生电阻的，即电感的Q值不可能是无穷大，所以要尽量选用Q值高的电感应用。另外，还需尽量减小MOS管的栅极多晶电阻，在画版图时栅极输入线应尽可能短或减小连接孔电阻，而从噪声系数表达式看，也可通过调节gdo和特征频率来降低噪声系数。

1.3 线性度分析

线性度是低噪声放大器的一个重要指标，如何提高系线性度是设计的难点。图1中输入晶体管源极所接电感ls一方面起着输入阻抗匹配的作用，同时也可用以提高放大器的线性度，达到源极负反馈提高线性度的作用。输入晶体管的电流为

从式中可看出，若电感的阻抗远大于跨导的倒数，则电流是跨导的弱函数，而与输入电压可近似为线性关系。设计时可适当增大跨导gm，但功率不能过高，同时器件尺寸不可过大，以避免因线性度提高而导致其他指标变差。

1.4 增益和隔离度分析

增益是低噪声放大器的原则性指标，如何提高其增益而不降低其他性能，是分析和设计的重点。图1共源管的寄生电容Cgd等效栅到地的电容和漏到地的电容分别为C1、C2。

C2≈A×Cgd，此时的C2直接为输出端的寄生电容，共源管的沟到电流将由C2和负载分流，负载阻抗值较大，而电容C2越大阻抗越小，从而分的电流也将越大，这也将降低增益，并将影响输出谐振网络。另外输入和输出可直接通过Cgd在高频下形成信号通路，这使得逆向隔离差甚至可能输入输出闭环不稳定。为了避免增益损耗和逆向隔离差的问题，可采用共源共栅结构取代共源结构的低噪声放大器LNA。在采用共栅管连接之后由于共栅管的栅极高频下为虚地，因此寄生Cgd形成的信号通路将避免，从而改善了逆向隔离性能且提高了稳定性。采用共栅连接C2将变小为

同时从漏往上看的阻抗变为

，这便增大了阻抗的电流增益，并将提高LNA的电压增益。

2 整体电路设计

通过对低噪声放大器LNA性能分析，综合设计了一个全差分拓扑型共源共栅结构的低噪声放大器，电路主体结构如图3所示。电路采用全差分输入和输出，差分输入一方面可提高放大器的增益，另外一方面可拓宽放大器的输入信号动态范围。采用共源共栅结构即可提高增益也可增强隔离度。负载通过电感和电容组成，而并非采