低频低功耗CMOSLNA的设计优化技术

1低频、低功耗CMOSLNA的设计优化技术胡小丽1,2，吴秀山1,3（1.东南大学信息科学与工程学院，江苏南京210096；2.南京信息职业技术学校电子信息工程系，江苏南京210046；3.中国计量学院机电工程学院，浙江杭州310018）【摘要】分析了具有源级退化电感的CMOS共源共栅结构电路在低频、低功耗LNA设计中存在的缺陷，为满足低频、低功耗设计的要求现经常采用在该电路结构基础上再并联栅极电容的结构。本文按照噪声系数的定义严格推导了该结构电路的噪声参数表达式，并基于推导的公式分析了该结构在CMOS低频、低功耗LNA设计中的重要应用。最后实现了一个基于0.18μmCMOS工艺的ISM频段应用的433MHzLNA的设计，运用Agilent公司的设计仿真软件ADS进行仿真,整个LNA的设计过程和ADS仿真结果与理论分析一致。【关键词】CMOS；共源共栅；LNA；低功耗；噪声系数；噪声优化【中图分类号】TN924【文献表示码】A________________________________________________________LowfrequencyandlowpowerCMOSLNAdesignoptimizationtechniquesHUXiao-li1,2,WUXiu-shan3(1.InformationscienceandTechnologyInstitute,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China;2.DepartmentofElectronic&InformationEngineering,NajingCollegeofinformationTechnology,Nanjing210046,China;3.CollegeofElectrical&MechanicalEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018，China）Abstract:ThispaperanalyzesthefaultofthecascodetopologywiththesourcedegenerationinductanceforCMOSlowfrequencyandlowpowerLNAdesignoptimizationtechniques.Tosatisfytheserequirements,nowacascodetopologywiththesourcedegenerationinductanceandwiththegateparallelcapacitanceisusuallytobeused.Inthispaperwepresentadetailedandstrictanalysisthenoiseparametersofthisarchitectureaccordingtothedefinitionofnoisefigure,basedonthesededucedequations,wefurthermorediscusstheimportantusesofthistopologyforCMOSlowfrequencyandlowpowerLNAdesignoptimizationtechniques.Inthelastofthispaper,werealizea433MHzLNAusedforISM(Industrial-Scientific-Medical)basedonthe0.18μmCMOSprocess,throughtheADSofAgilentsimulation,theoveralldesignbehaviorandtheimplementedsimulationresultsshowsgoodagreementwiththeoreticalanalysis.Keywords:CMOS；cascode；low-noiseamplifier(LNA)；lowpower；noisefigure；noiseoptimization无线通信系统射频接收机的典型组成结构中，LNA是第一级有源电路，其噪声、非线性、匹配等性能对整个接收机至关重要，一般要求该电路具有高灵敏度、大动态接收范围和低功耗等特点。LNA的设计是噪声系数、增益、电压驻波比等指标之间的许多折中【1】。一般来说，LNA的设计的主要目标是在给定功耗的条件下实现最优的噪声系数和尽可能高的增益。从已有的文献和文章来看，LNA的设计方法有经典的噪声匹配方法，能同时实【作者简介】胡小丽（1973－），女，江苏南京人，讲师，现为东南大学信息科学与工程学院硕士研究生。主要研究方向为无线通信系统。2现噪声和输入匹配的设计方法，功率限制条件下的噪声优化方法，以及功率限制条件下的同时噪声和输入匹配的设计方法【2，3】。以前的报道工作是这些技术中的一种或几种，分析方法没有统一，特别是对低功耗和低频LNA的设计优化方法和实现没有给出一个全面的分析。本文推导了具有源级退化电感、栅极并联电容共源共栅结构的LNA的噪声参数表达式，分析它们在低频及低功耗LNA设计中的重要应用和存在的局限性。CMOS射频芯片具有低功耗、低成本的优点，并且在低频段具有与其它传统工艺（例如GaAs工艺）相近的特性，随着CMOS工艺尺寸不断缩小，集成度的不断体高，CMOS工艺得到了越来越多的应用。最后文章基于0.18μｍTSMCCMOS工艺实现了一个低频（433MHz）、低功耗LNA的设计，ADS仿真结果与理论公式完全吻合，验证了推导的公式的正确性。2LNA噪声参数的推导在LNA的设计中为了优化噪声系数，经常采用反馈技术。在窄带应用中，具有源级退化电感的共源或共源共栅的串联反馈是经常采用的典型结构。图1（a）和1（b）所示的为具有源级退化电感、栅极并联电容的LNA的结构和简化的噪声小信号等效电路【4，5】。M1为输入器件，产生与输入电压成正比的小信号漏电流，共栅晶体管M2用于减小输入与输出之间的相互作用，提供良好的隔离，同时减小M1管的漏栅电容Cgd的影响。在图1（b）中M1管的栅寄生电阻、体和源漏端的寄生电阻以及Lg寄生电阻都进行了忽略,共栅晶体管M2对噪声和频率响应的影响也进行了忽略。其中:240iKTgfndd（1）为沟道热噪声电流的均方值，这里：0dg为0dsV时的漏源电导；K为波尔兹曼常数；T为绝对热力学温度；f为带宽；是一个与偏置状态有关的系数，对长沟道器件而言，参数在0dsV时为1，在饱和工作情况下为2/3。在高dsV和gsV时会增加，对短沟道器件值会大于2。由于沟道热噪声电流的波动会引起沟道电势的波动，这会在栅端产生一个偶合电容，这会导致一个感应的栅电流噪声，栅感应噪声电流的均方值表达式为：sv1M2MsLgLsRddVbtLbtC1gVBiasTeeexCdLoutV图1（a）CascodeLNA结构电路图2nsvsLgLsRtC2ngigggsmvggsv2ndiouti图1（b）CascodeLNA小信号等效电路fgKTigng42（2）在这里：2250Cgsgggd（3）方程（2）中，称为栅噪声系数，对长沟道器件，为4/3,与相似，在高dsV和gsV时会增加，在短沟道器件中会增大，一般认为是的倍。Cgs为输入晶体管的栅源电容，图1（b）中，Ct＝Cgs+Cex。下面我们将要推导图1（b）所示的LNA的噪声参数的表达式。图1（a）所示的LNA的结构，在我们的假设条件下，电路仅是增加了几个无耗的电感和电容元件，从理论上不会引起噪声的恶化，该电路结构的最小噪声系数和噪声电阻将不会发生变化，变化的应该仅是优化的源阻抗。并且并联的电容应该有利于在低频时实现噪声匹配【6】。我们可以按照噪声系数的定义3输出功率输入噪声源引起的噪声总的噪声输出功率F，来严格推导该电路的噪声参数表达式。图1（a）所示LNA的总的输出噪声电流由信号源内阻引起的输出噪声电流，栅感应噪声电流以及沟道热噪声电流引起的输出噪声电流。首先计算仅有信号源电阻Rs的热噪声电压2nsv引起的输出噪声电流，将沟道热噪声电流源和栅感应噪声电流源开路，我们已经假设电感Lg的寄生电阻和栅极多晶硅电阻都远远小于信号源内阻而忽略不计，画出等效电路图可以很容易得到该电路的等效跨导为：()121()()()gmGjmjLLjCRgLsgtsmsjCt（4）为简便计算，令:121()()()AjLLjCRgLsgtsmsjCt（5）则输出的噪声电流的均方值为：222,RgsmiionsnsA（6）同理，计算仅有沟道热噪声电流引起的输出噪声电流，将由信号源电阻Rs引起的热噪声电压源短路和栅感应噪声电流源开路，画出此时的小信号等效电路，可以得出：1,.1jLsigiimondndondjCtRjLsgjCt（7）整理后可得到由沟道热噪声电流引起的输出噪声电流的均方值为：221()()22,jCLLjCRtgtssiiondndA（8）最后计算仅有栅感应噪声电流源引起的输出噪声电流，应用与上面相同的方法可以得到栅感应噪声电流源引起的输出噪声电流的均方值表达式为：2()22,RjLLsgsigiongmngA（9）沟道热噪声电流与栅感应噪声电流都是由沟道载流子的不规则运动引起的，因此它们具有相关性，长沟道条件下的相关系数为：0.39522iingndcjiingnd（10）在长沟道器件中c在理论上大体等于j0.395，是一个纯虚数，反映了沟道和栅感应噪声源之间的耦合的电容。2ngi可表示为与沟道噪声相关和不相关的两部分2ngci和2ngui的和，故有：2222244(1)iiiKTgcfKTgcfngngcngugg(11)总的输出噪声电流的表达式为：2222,,,,,iiiiionsongconguototalond（12）那么按照噪声系数的定义，噪声系数的表达式为：2,2,iototalFions（13）利用公式（12）、（13）,将公式（6），（8），（9）带入公式（13），整理后得到：2211()()()5521122(1)()()5RCCnttFjCLLacjRCacgsgssgsRCCsgsgsacCRjLLgssgsgRms（14）其中0gmagd，1Rnagm。一般把噪声系数的表达式写为:2minRYYnsoptFFGs（15）4下面将根据方程（15），求出方程（14）中的噪声参数表达式。将方程（14）进一步整理为：2()12()*5RLLRZjLRCngsnssntFCacgsRRRCZsssgsopt（16）其中2a2(155*22a2(155CtcjacCgsZoptCtCcacgsCgs（17）ZRjLssg（18）比较方程（15）和方程（16），可以立刻得到等效的噪声电阻mngaR1。我们在LNA整个电路设计过程中，为得到最小的噪声系数，要在输入端实现噪声匹配，使电路的ZS=Zopt,在已知ZS的表达式下，对噪声系数求导，求出最小噪声系数为：222212(1)1(1)min55aFRCccngsT（19）并且可以得出该电路使噪声系数最小的优化的源阻抗为：soptoptLjZZ*（20）这样我们就全部得到了图1（b）所示的CascodeLNA小信号等效电路得噪声参数表达式。结果与我们前面理论分析的完全相同，并且非常富有指导意义。3LNA设计优化技术从图1（b）可以容易的得到该电路的输入阻抗为：tsmtsinCLgCjLjZ1（21）从公式（21）中可以看出，源极退化电感在输入阻抗中产生了实部，这非常重要，因为没有退化电感，，在Z