应用于无线传感器网络2. 4 GHz的低噪声放大器设计

时满足。

　　于是在电路设计中就需要在噪声匹配和功率匹配中进行折中。下面引入M1 管栅源间附加电容Cex ,这样,输入阻抗变为：

　　最佳噪声阻抗Z ′ op t表示为：

　　这样, 为了使功率和噪声同时匹配, 令Zin =Z ′ op t*= 50Ω,得到：

　　式( 9)中有4个方程, 5个未知数,则可以限定任何一个参数,再优化其它参数。所以,在功耗( Id )限定的情况下, 仍然可以进行功率噪声匹配。引入Cex后,通过调整Cex ,首先可以使最佳噪声源阻抗Z ′op t实部为50Ω。

　　再选择Ls ,使电路满足Re [ Z′in ] = Re [ Z ′op t ] =50Ω。根据式(8) 、式(9)可以推出：

　　式(10)指出,选取的Ls 的电感值在引入Cex后亦可以比没有连接Cex时有所降低。Ls 为源极负反馈电感,由于电感中的寄生电阻影响以及该电感本身的负反馈性质,低感值的电感可以做到更好的噪声系数。

　　最后,调整片外电感Lg ,使谐振频率为ω0 (设计要求ω0 为2. 43 GHz) ,ω0 表示为：

　　由于Cadence工具的局限性,仿真S参数时无法显示Sop t曲线,噪声匹配很难做到最优。在实际设计过程中,当共源管M1、M2 宽长比以及其偏置电路都已经确定时,可以通过扫描Cex参数,比较最小噪声系数NFmin ,选取其最佳值。当最小噪声系数NFmin确定后,再通过进一步调整Cex ,尽量满足功率匹配。在此过程中,必须同时关注噪声系数NF和最小噪声系数NFmin的变化,最后通过比较,选择折中的优化结果,确定恰当的Cex和Ls、Lg 值。

　　1. 3　输出匹配

　　电路输出端通过漏极电感并联、串联电容的结构实现阻抗匹配。漏极电感的选取对低噪声放大器的性能有较大影响。电感值的大小直接影响放大器的增益。较大感值的电感可以增加LC并联谐振电路的等效阻抗,从而带来更高的电压增益。但是大电感的自谐振频率较低,而射频电路要求的工作频率却很高。同时,大电感也会占用更大的芯片面积,引入较大的噪声。而且,当电感值过大使放大器输出阻抗实部超过50Ω时,必需通过在输出端并联电感或增加源极跟随器等缓冲电路的方法才能将输出阻抗匹配到50Ω。如果直接并联电感,则会使输出端直流短路,要解决这个问题,则必须串联一个大电容后再将此电感并入电路,对于整体设计来说,引入了更多的无源元件,一方面大大影响了电路性能,另一方面也占用了更多面积。而增加一级缓冲电路,则会增加放大器的额外功耗。对于无线传感器网络节点中的模块,这两种方法都不可行。因此,具体设计时,需选取恰当的电感,既能保证应有的增益,又可以使输出阻抗实部在50Ω附近。

　　由于该电路结构具有较高的隔离度,输出端阻抗的调整对输入端影响不大,可以在输出端单独进行匹配。具体设计过程中,可以首先在输出端只连接漏极电感Ld ,通过仿真其S22参数,仿真其对应频率2. 43GHz下的输出阻抗。然后对照Smith圆图,先并联电容将输出阻抗实部调整到50Ω,再通过串联电容,将输出阻抗虚部调整到0。这样,最后可以将输出阻抗匹配到50Ω,实现输出端功率匹配。

　　2　低噪声放大器的版图及后仿真结果

　　本次设计的低噪声放大器版图如图3所示,芯片面积约为: 735μm ×780μm。因为电路为对称结构,所以在版图的绘制上也需注意对称性,这样有利于提高电路性能。芯片左侧为SGS焊盘,用来接入差分输入信号。芯片右侧为SGS焊盘,用来接差分输出信号。芯片上下端各为三针直流焊盘,用来提供增益控制信号Vc1、Vc2 ,对称的电源Vdd以及对称的地Gnd。在焊盘组间空隙处,增加了电源Vdd到地Gnd的滤波电容组滤除电源Vdd上的纹波,旁路外界干扰,这种结构可以在最大利用版图面积的同时进一步提高了电路性能。

图3　低噪声放大器版图

　　在Cadence Spectre仿真环境下对电路的S 参数,噪声系数NF以及稳定性系数KF进行了后仿真,后仿真在TT工艺角,温度为27 ℃情况下进行。

　　电路在1. 2 V电源电压下工作电流约为6. 0 mA。

　　S11后仿真结果如图4 所示,高增益时S11约为- 29. 8 dB,中增益时S11约为- 17. 7 dB,低增益时S11约为- 16. 3 dB。三种情况下S11均满足小于- 10 dB,输入匹配良好。

图4　S11仿真结果

　　S21后仿真结果如图5 所示,高增益时S21约为21. 2 dB,中增益时S21约为11. 0 dB,低增益时S11约为2. 8 dB。基本满足设计指标中的高增益20 dB,中增益10 dB,低增益0 dB要求。

图5　S21仿真结果

　　S22后仿真结果如图6 所示,高增益时S22约为- 20. 7 dB,中增益时S22约为- 10 dB,低增益时S22约为- 10 dB。三种情况下S22均满足小于- 10 dB,输出匹配良好。

图6　S22仿真结果

　　噪声系数如图7所示。在2. 43 GHz上,后仿真噪声系数NF约为0. 49 dB,与最小噪声系数NFmin后仿真结果0. 46 dB比较接近,噪声匹配良好。

图7　噪声系数NF仿真结果

输入1 dB压缩点如图8所示,在高增益下