复旦大学：《集成电路工程》教学资源（硕士士学位论文）CMOS宽带可变增益低噪声放大器的设计

第二章常见低噪声放大器 P3,tota可以表示为[20]： Nfa=1+(WF-0+NE-1+5-1+M5-1 (2.9) AVS1 AS1AVs2 AS1As2AVs3 1， A民+AA2+A民AA3 P+MP++MP (2.10) 3.3 式(2.9)表明，处于调谐器最前端的可变增益低噪声放大器的噪声系数直接贡 献到整个调谐器的NFtotal上，而后面各级的噪声系数可以利用前面各级的增益来 减少其贡献。 式(2.10)表明，可变增益低噪声放大器的线性度对整个系统的线性度是有影 响的。 VGLNA Qmixer Filter PGA 图2-2电视调谐器的简化级联结构 2.1.5灵敏度 灵敏度定义为接收机在满足一定的信噪比的情况下，能够检测到的最小信号 功率20]。不同调制方式对信噪比的要求不同，譬如64QAM调制方式需要至少 25dB信噪比。 灵敏度的表达式如下： P-Ps+100gB+NF+SNR (2.11) 其中，PRs是源阻抗在输入端口的噪声功率，B是有用信号带宽，NF是接收机 的噪声系数，SNRmin是接收机需要的最小信号噪声比。另外，前三项之和通常 称为噪声基底。式(2.11)表明噪声系数直接决定接收机可以达到的灵敏度。 如果接收机输入阻抗匹配，那么： Psle -(V2).4kTRs=kT=-174 dBm/Hz (2.12) R 其中假设T=300K。 2.2传统结构的低噪声放大器 输入阻抗匹配是低噪声放大器设计中面临的第一个问题。实现输入阻抗匹配 有共源、共栅和电阻并联反馈等电路结构，这三种电路结构共同的特点是阻抗匹 13

第二章 常见低噪声放大器 13 IIP3,total 可以表示为[20]：         2 4 3 total 1 2 22 22 2 VS1 VS1 VS2 VS1 VS2 VS3 1 1 1 1 ( 1) NF NF NF NF NF A AA AAA (2.9)   2 22 222 V1 V1 V2 V1 V2 V3 2 22 2 2 3,total 3,1 3,2 3,3 3,4 1 1 A AA AAA IIP IIP IIP IIP IIP (2.10) 式(2.9)表明，处于调谐器最前端的可变增益低噪声放大器的噪声系数直接贡 献到整个调谐器的 NFtotal 上，而后面各级的噪声系数可以利用前面各级的增益来 减少其贡献。 式(2.10)表明，可变增益低噪声放大器的线性度对整个系统的线性度是有影 响的。 图 2-2 电视调谐器的简化级联结构 2.1.5 灵敏度 灵敏度定义为接收机在满足一定的信噪比的情况下，能够检测到的最小信号 功率[20]。不同调制方式对信噪比的要求不同，譬如 64QAM 调制方式需要至少 25 dB 信噪比。 灵敏度的表达式如下： Psens dBm  PRS dBm/Hz 10logB  NF dB SNRmin dB (2.11) 其中，PRS 是源阻抗在输入端口的噪声功率，B 是有用信号带宽，NF 是接收机 的噪声系数，SNRmin 是接收机需要的最小信号噪声比。另外，前三项之和通常 称为噪声基底。式(2.11)表明噪声系数直接决定接收机可以达到的灵敏度。 如果接收机输入阻抗匹配，那么： 2 S RS dBm/Hz S (1 2) 4k k 174 dBm/Hz TR P T R     (2.12) 其中假设 T=300 K。 2.2 传统结构的低噪声放大器 输入阻抗匹配是低噪声放大器设计中面临的第一个问题。实现输入阻抗匹配 有共源、共栅和电阻并联反馈等电路结构，这三种电路结构共同的特点是阻抗匹

第二章常见低噪声放大器 配简单。下面主要从输入阻抗匹配、电压增益和噪声系数等方面分析不同结构的 低噪声放大器。 2.2.1共源结构 3 R VoUT M1 Rin S (a) b 图2-3共源结构 共源(Common Source,CS)放大器输入阻抗为容性，在栅极并联电阻后可 以得到阻性输入阻抗，如图2-3(a)所示，其中电阻Rn取值为源阻抗Rs,满足输 入阻抗匹配。 共源低噪声放大器的噪声因子为： Fos =2+4y 4 ->2 (2.13) gmiRs gmRsR 其中，gm1为放大管M1的跨导，R为共源放大器的负载电阻。所以，共源低噪 声放大器的噪声系数NFcs大于3dB。 在窄带应用中，共源MOS管的栅极和源极分别串联上电感L。和Ls,电感 与MOS管的栅源寄生电容Cgs在谐振频率处会产生实阻抗，该实阻抗与源阻抗 Rs匹配，如图2-3(b)所示24]。源极串联电感负反馈共源低噪声放大器的输入阻 抗和噪声因子分别为： (2.14) ygoRa (2.15) 其中，Rg和Rs分别是栅极和源极串联电感的寄生电阻，Rgae是MOS管栅极 电阻。在谐振频率处，输入阻抗呈现阻性： (2.16) 其中，9m1和Cgs分别为M1管的跨导和栅源寄生电容。由式(2.15)可以看出，源 14

第二章 常见低噪声放大器 14 配简单。下面主要从输入阻抗匹配、电压增益和噪声系数等方面分析不同结构的 低噪声放大器。 2.2.1 共源结构 图 2-3 共源结构 共源(Common Source，CS)放大器输入阻抗为容性，在栅极并联电阻后可 以得到阻性输入阻抗，如图 2-3(a)所示，其中电阻 Rin取值为源阻抗 RS，满足输 入阻抗匹配。 共源低噪声放大器的噪声因子为： CS    2 m1 S m1 S L 4 4 2 2 γ F g R g RR (2.13) 其中，gm1 为放大管 M1 的跨导，RL为共源放大器的负载电阻。所以，共源低噪 声放大器的噪声系数 NFCS大于 3 dB。 在窄带应用中，共源 MOS 管的栅极和源极分别串联上电感 Lg 和 Ls，电感 与 MOS 管的栅源寄生电容 Cgs 在谐振频率处会产生实阻抗，该实阻抗与源阻抗 RS匹配，如图 2-3(b)所示[24]。源极串联电感负反馈共源低噪声放大器的输入阻 抗和噪声因子分别为：   m1 in S g S gs gs 1 g Z sL L L sC C            (2.14) Lg Ls gate 0 d0 SS T 1 S RR R ω F γg R R R ω           (2.15) 其中，RLg 和 RLs 分别是栅极和源极串联电感的寄生电阻，Rgate是 MOS 管栅极 电阻。在谐振频率处，输入阻抗呈现阻性： m1 in S gs g Z L C          (2.16) 其中，gm1 和 Cgs 分别为 M1 管的跨导和栅源寄生电容。由式(2.15)可以看出，源

第二章常见低噪声放大器 极电感反馈共源低噪声放大器的噪声因子与工作频率成正比。 源极串联电感反馈共源低噪声放大器在较低的功耗下可以得到较高的电压 增益、较低的噪声系数和较好的线性度。多个独立的电路并行可满足宽带应用3]， 但是片上无源电感面积较大，成本较高。 2.2.2共栅结构 ●VoUT M1 ViND 图2-4共栅结构 图2-4是传统的共栅(Common Gate,CG)低噪声放大器，满足阻抗匹配 (Rs=Rn=1/gm1)的情况下，全电压增益为Av=gm1R/2=R/(2Rs),噪声因子为： FcG =1+Y+- Rs R (2.17) 在深亚微米工艺下，Y≈1，NFcG大于3dB。另外，共栅结构的输入阻抗匹 配直接决定跨导gm1的选择，只有当gm1=20mS时，才有Rn=50Ω，在增益设 计和噪声优化方面失去了灵活性。但是，由于共栅结构具有宽带、高线性度和低 功耗等优点，在宽带低噪声放大器中有一定的应用25][26]。 2.2.3电阻反馈结构 图2-5为电阻反馈(Resistive Feedback,RF)低噪声放大器，Rn=1/gmi,其 噪声因子为： F=1+Y1+ 4R (2.18) (1-gmR)Rs 在深亚微米工艺下，yh≈1，即使忽略第三项，NFF也大于3dB。另外，由于引 入了负反馈，该结构的功耗较大。 电阻反馈结构最大的优点就是输入阻抗匹配简单并且面积小，所以利用电阻 负反馈得到输入匹配的低噪声放大器设计得到了广泛的应用[27]-[30]。文献27] 基于电阻反馈和RLC谐振完成窄带低噪声放大器的输入阻抗匹配。文献28]中 介绍的两个电阻负反馈低噪声放大器，都在降低功耗和提高线性度方面做出努 15

第二章 常见低噪声放大器 15 极电感反馈共源低噪声放大器的噪声因子与工作频率成正比。 源极串联电感反馈共源低噪声放大器在较低的功耗下可以得到较高的电压 增益、较低的噪声系数和较好的线性度。多个独立的电路并行可满足宽带应用[3]， 但是片上无源电感面积较大，成本较高。 2.2.2 共栅结构 图 2-4 共栅结构 图 2-4 是传统的共栅(Common Gate，CG)低噪声放大器，满足阻抗匹配 (Rs=Rin=1/gm1)的情况下，全电压增益为 AV=gm1RL/2=RL/(2RS)，噪声因子为：   S CG L 4 1 R F γ R (2.17) 在深亚微米工艺下，γ 1，NFCG大于 3 dB。另外，共栅结构的输入阻抗匹 配直接决定跨导 gm1的选择，只有当 gm1=20 mS 时，才有 Rin=50 Ω，在增益设 计和噪声优化方面失去了灵活性。但是，由于共栅结构具有宽带、高线性度和低 功耗等优点，在宽带低噪声放大器中有一定的应用[25][26]。 2.2.3 电阻反馈结构 图 2-5 为电阻反馈(Resistive Feedback，RF)低噪声放大器，Rin=1/gm1，其 噪声因子为：   F 1 2 m1 F S 4 1 1 R F γ gR R    (2.18) 在深亚微米工艺下，γ1 1，即使忽略第三项，NFRF也大于 3 dB。另外，由于引 入了负反馈，该结构的功耗较大。 电阻反馈结构最大的优点就是输入阻抗匹配简单并且面积小，所以利用电阻 负反馈得到输入匹配的低噪声放大器设计得到了广泛的应用[27]-[30]。文献[27] 基于电阻反馈和 RLC 谐振完成窄带低噪声放大器的输入阻抗匹配。文献[28]中 介绍的两个电阻负反馈低噪声放大器，都在降低功耗和提高线性度方面做出努

第二章常见低噪声放大器 力。文献28]中的第二个低噪声放大器与文献27]中的低噪声放大器相似，同时 利用可变电阻及电容实现频率可调，从而满足宽带应用。文献[29[30]是在全差 分结构中应用电阻反馈实现宽带输入阻抗匹配的例子。 RF VoUT M 图2-5电阻反馈结构 2.3跨导增强和电容交叉耦合低噪声放大器 相比于共源结构，共栅结构有诸多优势。它更容易实现良好的宽带输入阻抗 匹配，对输入端口的寄生电容不敏感，有更好的线性度，稳定性和低功耗等特点。 但是，共栅结构具有较高的噪声系数，这一点还是限制了其在低噪声放大器设计 中的应用31]。 ●VoUT iN D 图2-6跨导增强共栅低噪声放大器 跨导增强技术通过增加额外的放大器，提高放大器的有效跨导。这样可以在 一定程度上降低共栅结构的噪声系数，如图2-6所示31]。输入阻抗匹配要求 (1+Av)gm1=1/Rs。如果忽略负载的噪声贡献，跨导增强低噪声放大器的噪声因子 可以表示为32]： fF6=1+,y 1+Av (2.19) 相比传统共栅结构，噪声因子有所减小。 跨导增强技术中的反相放大器可以由差分结构的固有反相特性实现。电容交 叉耦合(Capacitor Cross Coupled)低噪声放大器就是一种跨导增强低噪声放大 16

第二章 常见低噪声放大器 16 力。文献[28]中的第二个低噪声放大器与文献[27]中的低噪声放大器相似，同时 利用可变电阻及电容实现频率可调，从而满足宽带应用。文献[29][30]是在全差 分结构中应用电阻反馈实现宽带输入阻抗匹配的例子。 图 2-5 电阻反馈结构 2.3 跨导增强和电容交叉耦合低噪声放大器 相比于共源结构，共栅结构有诸多优势。它更容易实现良好的宽带输入阻抗 匹配，对输入端口的寄生电容不敏感，有更好的线性度，稳定性和低功耗等特点。 但是，共栅结构具有较高的噪声系数，这一点还是限制了其在低噪声放大器设计 中的应用[31]。 图 2-6 跨导增强共栅低噪声放大器 跨导增强技术通过增加额外的放大器，提高放大器的有效跨导。这样可以在 一定程度上降低共栅结构的噪声系数，如图 2-6 所示[31]。输入阻抗匹配要求 (1+AV)gm1=1/RS。如果忽略负载的噪声贡献，跨导增强低噪声放大器的噪声因子 可以表示为[32]：    CG, m V 1 1 g γ F A (2.19) 相比传统共栅结构，噪声因子有所减小。 跨导增强技术中的反相放大器可以由差分结构的固有反相特性实现。电容交 叉耦合(Capacitor Cross Coupled)低噪声放大器就是一种跨导增强低噪声放大

第二章常见低噪声放大器 器。电容交叉耦合低噪声放大器在保持共栅低噪声放大器高带宽、高线性度和稳 定性等优点的同时，一定程度上了降低了放大器的噪声系数[33]。 VOUTP VOUTn M1 图2-7电容交叉耦合差分低噪声放大器 图2-7是一个电容交叉耦合差分低噪声放大器32]。反相放大器的放大倍数 Av为电容Cc和Cgs的分压比： 1 Av= Ce」 (2.20) C.+Co 1+Cgz 其中，Cgs是M1和M2管的栅源寄生电容。 电容交叉耦合低噪声放大器的噪声因子为： F=1t,y≈1+y. (2.21) 1+A Cas +2C 如果电容值满足Cc》Cgs,则有Av≈1，式(2.21)可以写成： F≈1+ 3 (2.22) 与传统共栅结构相比，噪声因子有了明显降低。 虽然电容交叉耦合技术一定程度上减小了噪声系数，同时保持了共栅低噪声 放大器在带宽、线性度、稳定性和功耗等方面的优势，但是需要差分信号输入， 这就需要外接单端转差分的变压器34]。因为电容交叉耦合低噪声放大器的跨导 还是受限于输入阻抗匹配与增益之间的关系，所以电压增益很难达到较高。为了 提高增益，可以加上正反馈，这样不仅可以提高增益，正反馈和负反馈组成的反 馈环路还可以实现沟道噪声抵消，得到更低的噪声系数[35][36]。另外，也可以 增加负反馈通路改善放大器的性能[37]。 17

第二章 常见低噪声放大器 17 器。电容交叉耦合低噪声放大器在保持共栅低噪声放大器高带宽、高线性度和稳 定性等优点的同时，一定程度上了降低了放大器的噪声系数[33]。 图 2-7 电容交叉耦合差分低噪声放大器 图 2-7 是一个电容交叉耦合差分低噪声放大器[32]。反相放大器的放大倍数 AV为电容 Cc 和 Cgs 的分压比：     c V c gs gs c 1 1 C A C C C C (2.20) 其中，Cgs 是 M1 和 M2 管的栅源寄生电容。 电容交叉耦合低噪声放大器的噪声因子为：           gs c V gs c 1 1 1 2 γ C C F γ A CC (2.21) 如果电容值满足 Cc≫Cgs，则有 AV≈1，式(2.21)可以写成： 1 2 γ F   (2.22) 与传统共栅结构相比，噪声因子有了明显降低。 虽然电容交叉耦合技术一定程度上减小了噪声系数，同时保持了共栅低噪声 放大器在带宽、线性度、稳定性和功耗等方面的优势，但是需要差分信号输入， 这就需要外接单端转差分的变压器[34]。因为电容交叉耦合低噪声放大器的跨导 还是受限于输入阻抗匹配与增益之间的关系，所以电压增益很难达到较高。为了 提高增益，可以加上正反馈，这样不仅可以提高增益，正反馈和负反馈组成的反 馈环路还可以实现沟道噪声抵消，得到更低的噪声系数[35][36]。另外，也可以 增加负反馈通路改善放大器的性能[37]