【文章內(nèi)容簡介】 是噪聲系數(shù)不管是在低頻條件還是高頻條件它的值都是不滿足我們的要求的。圖（ c）方案適合于寬帶 的 放大， 不足之處 是在與 其他 相同噪聲性能 不同形式 結(jié)構(gòu) 的 放大器進行比較，它的功耗 還是 偏大，如果是在 我們設(shè)計 低噪聲放大器中， 用到的 電阻 相對較 多，不適用 于 CMOS 技術(shù)。圖（ d）中所看到的是 MOS 管的源極采用的源極是采用電感負反饋式，與 MOS 管的輸入電容等調(diào)諧后可以實現(xiàn)匹配， 它適合于窄帶的放大。它和前面的三種結(jié)構(gòu)相比較， 它擁有的 噪聲性能 較好 ，所以在 CMOS 放大器中 經(jīng)常能見到它的身影 。本篇論文所采用的結(jié)構(gòu)就是最后一種源極電感負反饋式。 在第二章會對這種結(jié)構(gòu)進行詳細的介紹。 線性度 這里主要由 1dB 壓縮點和三階交調(diào)截點 3IIP 可以用來衡量線性度。線性度的影響因素主要有兩點：一是輸入端口的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是可以對放大器的線性范圍造成影響；二是電路結(jié)構(gòu)也可以影響到線性范圍，舉例如單管放大改為差分 放大結(jié)構(gòu)和負反饋均可以改善線性度。 隔離度和穩(wěn)定性 高的低噪聲放大器反向隔離度能夠降低本振信號由后端的混頻器向天線的泄露，即低噪聲放大器的隔離性能可以完全決定著本振泄露。而良好的低噪聲放大器的反向隔度，能夠讓負載的變化對于輸入阻抗的影響度降低，繼而可以簡化它的輸入輸出端關(guān)于匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試。伴隨著隔離度的增加，放大器的穩(wěn)定性是會隨著改善的。在本篇論文里，采用的是共源共柵級聯(lián)結(jié)構(gòu)以提高低噪聲放大器穩(wěn)定性。 下面表格 11 是國內(nèi)外在設(shè)計 CMOS 低噪聲放大器的性能指標的參考資料。 表 11 國內(nèi)外相關(guān)文獻 CMOS 低噪聲放大器性能指標 第 1 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 6 參考文 獻 工作頻率（ GHz） 電源電壓(V) 功耗（ mW） 低噪聲系數(shù) NF（ dB） 輸入匹配 輸出匹配 增益（ dB） 1dB 壓縮點(dBm) 三階交調(diào)截點（ dBm） [5] 32 26 20 [6] 29 32 [7] [8] 3 19 20 20 19 8 第 2 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 7 第 2 章 低噪聲放大器的方案設(shè)計 電感源極負反饋結(jié)構(gòu)的采用以及相應(yīng)的參數(shù)介紹 在 中有討論的 低噪聲放大器的四種匹配方式中，前三種匹配的結(jié)構(gòu)效果是都可以滿足良好的功率匹配的，但是這幾種結(jié)構(gòu)會在信號傳輸?shù)穆窂街袝兄墚a(chǎn)生噪聲的電阻的存在，從而使電路的噪聲系數(shù)變差，產(chǎn)生較高的噪聲 ]10[ 。那么這個時候就要考慮，如果能夠在信號的傳輸路徑上避免這種帶噪聲電阻，這樣就能使電路的噪聲大幅度的 降低，這時我們采用的方法是在管的源極和柵極分別接有電感，以實現(xiàn)匹配。這樣我們就可以提供沒有電阻的電阻性輸入阻抗，而這種電路結(jié)構(gòu)我們稱為電感源極負反饋結(jié)構(gòu)。如圖 21 所示， 圖 21 電感源極負反饋式的共源放大器電路結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)的小信號等效電路如下圖 22 所示，該結(jié)構(gòu)忽略 gdC ， 圖 22 電感源極負反饋式的小信號等效電路 由上圖我們可以寫出電路的輸入阻抗如式（ 21） 第 2 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 8 sCgssCin LsLZ gsmgs ??? 1 （ 21） 而可以在晶體管的柵極一端串聯(lián)一電感 Lg,這是為了用于優(yōu)化噪聲系數(shù)等等的指標，滿足 gsC 不受制于阻抗匹配的限制。這時候的輸入阻抗則為 sCggssCin LLLsZ gsmgs ???? )(1 （ 22） 因此，選擇合適的源極電感 sL 和柵極電感 gL ，讓輸入阻抗的實部能夠等于 50? 。此時，柵極電感 gL 的用途是用于抵消信號路徑中殘余的電容，讓輸入阻抗在某一頻率上表現(xiàn)出來的是 50? 的純電阻?？梢钥吹竭@種源極電感負反饋結(jié)構(gòu)是一種窄帶匹配的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠在很大程度上降低系統(tǒng)的噪聲，因為這種結(jié)構(gòu)可以在信號傳輸?shù)穆窂缴媳苊獾粼肼曤娮琛? 目前，這種結(jié)構(gòu)是最廣泛的被用于低噪聲放大器結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，總結(jié)以上的原因，它本身就是一種窄帶匹配結(jié)構(gòu)的放大器，能夠利用源極電感實現(xiàn)輸入阻抗是正實部的狀態(tài)，從而能夠獲得較滿意的噪聲性能即使是在功耗受限制的情況下。 返回剛才討論的公式（ 22），如果 sg LL? 與 gsC 諧振在工作頻率 0W 下，即gsgs CLLW )(10 ?? ,則可以得到 sTsCgin LwLZ gsm ?? (23) 這時，只要讓 sTs LwR ? 等式成立，就可以得到輸入阻抗匹配。在這樣的匹配結(jié)構(gòu)下電感 sL 提供匹配電阻，使輸入阻抗等于源電阻，電感 gL 可以讓輸入回路在工作頻率上發(fā)生諧振 ]12[ 。 經(jīng)過推導， 這低噪聲放大器的噪聲系數(shù)可以近似的表示如下（忽略 gR 和 1R ） ? ?20 01Twwd RgF ??? （ 24） 從（ 24）式子不難看出噪聲系數(shù)很接近 minF ，伴隨著 MOS 工藝的不斷改良， MOS管截止頻率會越來越高，相應(yīng)的噪聲系數(shù)將會呈現(xiàn)出更小的值。 經(jīng)上面的分析可以得出，源極電感負反饋式的匹配不會引入其他額外的噪聲，能夠呈現(xiàn)出阻抗匹配的同時讓噪聲系數(shù)降到最低。因為輸入阻抗只會在一個頻率上，也就是在諧振的情況下才是純阻性的，因此這個方法只能提供窄帶阻抗匹配的情況。在現(xiàn)在的很多應(yīng)用中，所涉及到的窄帶工作是可以被接受的 ]11[ 。其中唯一的不足是片上的電感會在芯 片上中占用大的面積。 共源共柵結(jié)構(gòu)（ Cascode）的低噪聲放大器 在前面面對常用的低噪聲放大器匹配結(jié)構(gòu)的比較中，我們已經(jīng)決定的是采用共源電感負反饋匹配機構(gòu)進行相關(guān)的設(shè)計。以下是我們將采用的是共源共柵結(jié)構(gòu)來對低噪聲放大器進行設(shè)計分析，進一步改進我們的設(shè)計。 在我們現(xiàn)實的設(shè)計過程當中， Casode 共源共柵結(jié)構(gòu)是被采用最多的結(jié)構(gòu)。如下圖（ 23）所示。本篇論文所采用的結(jié)構(gòu)也是如此。 在前面的結(jié)構(gòu)分析中，我們沒有分析考慮的是晶體管與柵極間的柵漏寄生電容 gdC對整個電路的影響，它是我們在實際的設(shè)計過程中所不能忽視的要素，即對我們的電路性能產(chǎn)生很大的影響。有資料顯示是這么認為的，這個電容將會影響電路的高頻響應(yīng)，第 2 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 9 這種現(xiàn)象就是所謂的密勒效應(yīng)（ Miller effect） ]4[ 。而在這里，因為 MOSFET 的柵漏寄生電容 gdC 的不可忽視，所以工作的時候會在 MOSFET 的輸入與輸出端口產(chǎn)生反饋。正是因為這樣，它會產(chǎn)生一系列的問題，一方面它會使低噪聲放大器（ LNA）的噪聲性能變得很糟糕，而另一方面，又會使整個系統(tǒng)變得很不穩(wěn)定。因此，我們很自然的將采用兩級結(jié)構(gòu)來設(shè)計低噪聲放大器，也就是在上面已經(jīng)提到過的電感源極負反饋的基礎(chǔ)上后，再在后面加上第二級的目的是抑制第一級所產(chǎn)生的柵漏寄生電容 gdC 并且可以提高電路的增益。如上圖（ 22）所示，其中的第二級的 MOSFET 即就是所謂的共柵結(jié)構(gòu)。 下圖（ 23）所示是共源共柵（ Cascode)結(jié)構(gòu)的小信號模型。其中，忽略 MOSFET的柵極寄生電阻，兩個 MOSFET 間的寄生電容用 1C 表示。 這里第二級的 MOSFET 漏源之間的跨導表示的為 2dsg 。 圖 23 共源共柵結(jié)構(gòu)下的小信號模型 這里根據(jù) Y參數(shù)中的定義，可以計算出共源共柵下的 Y參數(shù)中的 12Y 的公式為 ?21 2112 mgd dsgd gSCSCgSCY ???? (25) 其中， C = 1C + 2C (26) 在 Y 參數(shù)里， 12Y 是指反向增益，也就是所說的反饋大小。由公式（ 25）就是可以明顯的看出，共源共柵結(jié)構(gòu)的反向增益 12Y 是正比于第二級 MOSFET 的漏源之間的所產(chǎn)生的跨導 2dsg 。這里需要 說明的是，當 MOSFET 工作于飽和區(qū)的時候，溝道電阻會變得很大，即漏源之間的溝道跨導 2dsg 會很小，因此從以上的正比關(guān)系可以得出共源共柵的結(jié)構(gòu)中反向增益 12Y 是比較小的。這里也可以這么說，共源共柵結(jié)構(gòu)下的輸出到輸入的反饋影響是比較小的，輸入端和輸出端可以實現(xiàn)很好的隔離度，也就是意味著第一級的MOSFET 柵漏間中的寄生電容產(chǎn)生的影響降到最低。 總之，共源共柵 結(jié)構(gòu)（ Cascode）的優(yōu)點如電路簡單，不僅在提供增益的時候，而且還能夠抑制第一級的柵漏寄生電容產(chǎn)生的影響，讓輸入輸出端能夠很好的進行隔離，因此輸入和輸出的阻抗可以比較容易的與信號和負載的阻抗?jié)M足阻抗匹配。這樣不僅讓電路的穩(wěn)定性有大幅度的提高，還增強了電路的噪聲性能。 單端和差分放大器 單端放大器是指當放大器只有一個輸入端和一個輸出端的情況，而它的性能與它的直流偏置狀態(tài)是密不可分的。在現(xiàn)實的設(shè)計電路中，因為存在著噪聲和干擾以及一些其他寄生效應(yīng)對電路的影響，這時就很難精確的把直流電平控制在合理的大小 的范圍內(nèi)，這就會直接關(guān)系到了單端放大器的性能。但是如果合理的運用差分放大器則是可很好的解決這個難題。差分放大器是指放大器具有對稱的雙端輸入與雙端輸出的情況。它與單第 2 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 10 端放大器相比較，差分放大器面積增大一倍，但可喜的是它能夠在很大的程度上改善了電路的性能，以下幾點是它的優(yōu)點 ]9[ ： 1） 運用差分結(jié)構(gòu)能夠抑制偶次諧波帶來的干擾。 2） 偏置電平所帶來的影響會被克服，這時放大器的性能會比較穩(wěn)定。 3） 因為采用差動的輸出，輸出信號的電壓擺幅會明顯的增大一倍 。 4） 因為