设计一款CMOS低噪声运放(LNA)

设计一个在58GHz的COMS低噪声运算放大器（LNA）和它的灵敏度分析Xuezhen WangAnalog and Mixed Signal VLSI Design Center Dept. of Electrical and Computer Engineering Iowa State University, U. S. A.xzwangiastate.eduRobert Weber Analog and Mixed Signal VLSI Design Center Dept. of Electrical and Computer Engineering Iowa State University, U. S. A.weberiastate.edu引言这篇论文将呈现一个被集成在台湾半导体制造公司加工的0.18um CMOS在 5.8GHz的低电压低噪声LNA设计和它的灵敏度分析。灵敏度分析提供了一种当电 路元件改变时对LNA性能的灵敏度测量，因此，它可以帮助设计者选择合适的电 路元件。LNA的灵敏度分析非常实用于权衡合适的设计。设计出来的LNA只需要IV 的电压和4.5mW的直流功率。在5.8GHz是，这个LNA有2.643dB的噪声系数，输入 的回波损耗T5.35dB，输出的回波损耗-16.26dB，电压增益11.57dB。1. 介绍第一阶段的接收者是典型的低噪声运算放大器（LNA），其主要功能是提供足 够的增益去克服后续阶段的噪声（例如混频器）。在一些文章中，许多的LNA的 设计时基于砷化镓和双极性技术。当CMOS器件的截止频率已经增加超过及时GHz 时，CMOS电路在几个GHz的RF领域就有替代砷化镓和双极性电路能力。自从CMOS 技术有低功耗、高集成、可大批量生产的特性，它就成为当前非常流行的集成电 路设计。许多CMOS LNA的研究已经在900MHz到2.4GHz成功了，当要求射频集成电路有 更高的操作带宽时，IEEE 802.11a标准变成电路设计一个非常有意思的地方，有 很少的例子用CMOS LNA设计5-6GHz。在这篇文章中，低电压低功耗COMS LNA在5.8GHz是目标，作为设计工具，灵 敏度分析提供了一种当电路元件改变时对LNA性能的灵敏度测量，因此，它可以 帮助设计者选择合适的电路元件OLNA的灵敏度分析非常实用于权衡合适的设计。 在这篇文章中，灵敏度分析也提供了所推荐的LNA电路。这篇文章剩余的部分阻值如下：下一章节推荐一个单端型的5.8GHz的RF COMS LNA电路设计，章节3演示激励结果，章节4描述所推荐的LNA设计的灵敏度分析， 最后章节5会给出一些结论。2. LNA电路设计LS图1完整的5.8GHz LNA电路图完整的5.8GHz LNA电路图如图1所示，Lg、Ls、Ld都用的是芯片上自带的螺 旋电感。用在此处的这种办法是感性源恶化。级联的晶体管M2被用于减少经协 调的输出与经协调的输入之间的交互作用并且减少M1门级与漏极之间电容的影 响。电感Lg和Ls的选择是提供一种想要的输入阻抗。Ld和晶体管M2的电容构成 一个震荡回路用于调整LNA到5.8GHz。M3，R1，R2构成了一个偏压电路。Cin 和Cout是隔直电容。由于我们所选电感电容值的技术的限制，网络匹配就变成一个很大的挑战。 综合考虑到芯片的尺寸和不同性能的折衷，Cin和Cout在分别匹配输入和输出上 起着重要的作用，调整负载电阻RL设法在增益、输出匹配、LNA的功耗之间权 衡。输入和输出都权衡到50Q。3. 仿真结果所推荐的单端型LNA如图1所示，其仿真结果如图2图7所示，设计的这款LNA 只需要1V的电压mW的功率，在5.8GHz是，这个LNA有2.643dB的噪声系数，输入的 回波损耗T5.35dB,输出的回波损耗-16.26dB,电压增益11.57dB。这款LNA的性 能表现在高电压增益，低电源电压，低噪声系数，低功率损耗，这些性能的总结 如表 1 列出。表2列出了同另一款低电压COMS LNA在5GHz以上的比较。注释9代表它的实验 结果。图 3.LNA s12图 4.LNA s21S22 dB200,006.20G-&,00图 5.LNA s22-12,05.00G5,40G5.80Gfreq ( Hz m2.10NF dB102.305.00G5.40G5.80Gfreq ( Hz )6.20G- L.-100-40图6.LNA的噪声系数t： tracer 3rd Order,f;i =: tcic：B = 3dB/dEI;iRriC： o.; -trac= 1st Ord令;1 v; taGe=f,1dB/dBfr;ipnC-10,0占-40.0-7r0I门put Re-frred IP3 = 5.47135图 7.LNA IIP3-30-20-10匪0prf ( dBm )AgainZgain(Lg) - Again/gainfLs) g 日 in/g 別 n(Ld)图8.LNA增益随Lg、Ls和Ld的变化的变化-ANFZNF(Lg) -ANFZNF(Ls) 心 NF/NF(Ld)图9.LNA噪声系数随Lg、Ls和Ld的变化的变化图10.LNA IIP3随Lg、Ls和Ld的变化的变化表1.LNA的性能总结参考项数值技术0.18 卩 m CMOS频率5.8 GHz增益11.57dB噪声系数2.463dBS11-15.35dBS22-16.26dBS12-19.56dBIIP3-5.47dBm电源电压1V功率损耗4.5mW表2.同另一款低电压COMS LNA在5GHz以上的比较这款9技术0.18 卩 m CMOS频率5.8 GHz电源电压1 V功率损耗4.5 mW22.2 mW增益11.57 dB13.2 dB噪声系数2.463 dB2.5 dBS1115.35 dB5.3 dBS2216.26 dB10.3 dB4. LNA 灵敏度分析在这一部分，描述所推荐的LNA的灵敏度分析。我们主要集中在增益和噪声系 数对电感的灵敏度分析。设想我们感兴趣的是增益对Lg，Ls和Ld的灵敏度。我们 选择相同的变化对Lg，Ls和Ld然后我们计算AL/L和增益/增益。注意增益是个 绝对值，不是dB。整个电路的跨导Gm是：Gm=gm1Qin=吕小uOCgs ( Re + ljTLe)其中LNA的增益Av=GmZL这个表明增益由晶体管的尺寸，Lg，Ls和负载阻抗ZL决定。增益，噪声系数和输入三阶交调载取点随Lg，Ls和Ld的变化而变化如图8图 10所示，从图8和图10，我们能知道增益和iip3对Ld的变化相对于Lg和Ls的变化 更敏感，从图9,我们能知道噪声系数对Ls和Lg的变化相对于Ld的变化更敏感。 并且它也显示噪声系数对Ls的变化比对Lg的变化更敏感。5. 结论这篇论文将呈现一个被集成在台湾半导体制造公司加工的0.18um CMOS在 5.8GHz的低电压低噪声LNA设计和它的灵敏度分析。这样的LNA的灵敏度分析提供 推荐设计电路的一些见解。设计出来的LNA只需要1V的电压和4.5mW的直流功率。 在5.8GHz是，这个LNA有2.643dB的噪声系数，输入的回波损耗-15.35dB,输出的 回波损耗-16.26dB，电压增益11.57dB。这款LNA的性能表现在高电压增益，低电 源电压，低噪声系数，低功率损耗。这款LNA可被用于低电压和低功率的无线设 备。今后的工作可能集中于基于灵敏度分析结果的LNA的最优化分析。参考文献1 Heng Jin and C.A.T. Salama, “A 1-V, 1.9-GHz CDMA, CMOS on SOI, low noise amplifier,” in SOI Conference, 2000 IEEE International.2 T. Lee, The Design of CMOS Radio-Frequency IntegratedCircuits, Cambridge University Press, 1998.3 H. Morkner, M. Frank, and B. Ingram, “A novel 3 V, 7 mA PHEMT GaAs active MMIC mixer/LNA for wireless,” in Microwave Systems Conference, 1995. Conference Proceedings., IEEE NTC . 954 Sungkyung Park and Wonchan Kim, “Design of a 1.8 GHz low-noise amplifier for RF front-end in a 0.8,” Consumer Electronics, IEEE Transactions on, vol. 47, no. 0098, 2001.5 A. Parssinen, S. Lindfors, J. Ryynanen, S.I. Long, andK. Halonen, “1.8 GHz CMOS LNA with on-chip DCcouplingfor a subsampling direct,” in Circuits and Systems, 1998. ISCAS 98. Proceedings of the 1998 IEEE International Symposium on ,1998, vol. 2, pp. 73-76.6 R. Point, M. Mendes, and W. Foley, “A differential 2.4ghz switched-gain cmos lna for 802.11b and bluetooth,” in Radio and Wireless Conference, 2002. RAWCON 2002. IEEE.7 B. Ray, T. Manku, R.D. Beards, J.J. Nisbet, andW. Kung, “A highly linear bipolar 1 V folded cascode1.9 GHz low noise,” in Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, 1999. Proceedings of the 1999.8 E. Sacchi, I. Bietti, F. Gatta, F. Svelto, and R. Castello, “A 2 dB NF, fully differential, variable gain, 900 MHz CMOS LNA,” in VLSI Circuits, 2000. Digest of Technical Papers. 2000 Symposium on.9 T.K.K. Tsang and M.N. El-Gamal, “Gain and frequency controllable sub-1 V 5.8 GHz CMOS LNA,” inCircuits and Systems, 2002. ISCAS 2002. IEEE International Symposium on, 2002, vol. 4, pp. IV-795-IV-798.