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随着无线通信技术的飞速发展和市场需求的不断增加,对射频接收机的性能提出了更高要求,而低噪声放大器作为接收机关键的第一级,其噪声、线性范围、增益等指标直接影响整机性能。同时在众多工艺中,虽然硅CMOS的高频性能和噪声性能不是最好,但由于它的工艺最为成熟、成本最低、功耗最小、应用也最为广泛,且随着技术水平的提高,硅CMOS的频率特性和噪声特性也逐渐得到改善,因此CMOS射频集成电路将很可能是未来发展的趋势。
目前市场流行的通讯产品芯片,设计时需要考虑功耗、噪声、面积等特性。要想同时获得高电压增益、高线性度、低噪声及低功耗,是很不现实的,一方面因为在LNA的设计中需要做出取舍,为了获得某项良好的性能,可能要牺牲其它性能,另一方面,受元器件本身和外部因素的影响,性能只会变得更差。因此,一个好的LNA要看它实现目的的方法和程度。
本文首先对无线接收系统做简单介绍,以台湾集成电路代工厂(TSMC)0.18μmCMOS工艺中的电容、电感和电阻器件为基础,介绍了元器件的结构工艺和电路等效模型。在噪声部分介绍了基本噪声理论,同时对低噪声放大器噪声性能作分析,比较了CS-LNA和CG-LNA的电路特点,探讨了采用经典的共源共栅结构的好处,提出优化噪声可能办法。阐述了非线性产生的原因,具体分析了1-dB和三阶交调特性。通过对经典的Cascode分析和比较,提出利用电流镜为MOSFET提供偏置电压,由于电阻噪声很大,采用LC网络代替电阻对电流镜限流,在CS栅源级并接电容,并在栅极串接电感以便联合调谐;电路采用CS和CG级间电感消除级联电路寄生参数,最后在输出端接LC谐振网络实现端口阻抗匹配,保证在需要的中心频率点获得低噪声、高增益。
本文分析了2.4GHz小信号的CMOS LNA,采用ADS(Advanced designsystem)软件进行仿真,得到2.86dB的噪声系数,-7.8dB的反射系数,28.18dB的增益。作出图形曲线,仿真的结果在允许范围内,并探讨了各元器件对电路参数的影响程度。