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| 功率電感：一種1～3 GHz無電感型寬帶低噪聲放大器設計 | ||
| 本信息發布于：2015/9/1 | ||
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隨著衛星通信、調頻技術等相關技術的發展，對射頻前端特別是低噪聲放大器的工作頻帶提出了更高的要求，傳統的窄帶低噪聲放大器越來越受到限制。低噪聲放大器位于射頻的最前端，根據通道噪聲系數的理論，低噪聲放大器的增益和噪聲系數對整個射頻通道的噪聲系數起著及其重要的作用。基于CMOS 工藝的低噪聲放大器經過多年的發展，其噪聲系數及增益都已經達到了很高的水平，但是其大多需要采用無源http://.件來實現。眾所周知，基于CMOS 工藝的電感不僅占用較大的芯片面積，而且其品質因數性能也通常不會超過10。同時在一些大規模應用的場合，在管芯的鍵合、封裝時由于鍵合線的長度不可控、寄生電容不同等原因，傳統的片外匹配電路通常會發生較大的變化，電路性能受到較大的影響。 本文設計一種集成度高、匹配方便的寬帶低噪聲放大器，而基于寬帶匹配的pH 甚至fH 級的電感在現有的集成電路制造及鍵合水平下將是很嚴重的瓶頸問題。而且運用較多的電感、電容也是其目前不能大規模應用的重要原因，所以研究基于CMOS工藝的無電感型寬帶低噪聲放大器具有重 要的學術價值和應用價值。 1 結構分析 低噪聲放大器是無線接收系統中{dy}個模塊，影響著整個系統的噪聲性能和靈敏度等參數。隨著超寬帶技術的發展，寬帶低噪聲放大器設計已成為當前設計的一個熱點。根據目前國內外發表的相關文獻，當前寬帶低噪聲放大器的結構大致有帶通濾波網絡匹配和電阻負反饋2 種結構。 帶通濾波網絡匹配結構主要是基于傳統的源級負反饋結構的低噪聲放大器，在輸入端口處采用帶通濾波器來實現寬帶乃至超寬帶匹配來實現輸入S 參數的匹配。在低噪聲放大器電路設計時，此結構是窄帶低噪聲放大器設計中提供阻抗和噪聲同時匹配的經典技術。因此，要在寬帶內獲得良好的輸入匹配及平坦的增益，就必須在輸入端加入較高階數的LC帶通http://.以展寬低噪聲放大器的工作頻帶。由于該匹配網絡為同頻帶的帶通濾波器，通常需要2 階乃至3 階的帶通濾波器，這就意味著需要在芯片內部需要多個電感，這就會導致 芯片面積較大。同時，為了達到輸入匹配，該結構引入了源級負反饋電感，電感值通常較少，封裝參數將會對源級負反饋電感造成很大的影響。該源級負反饋電感一般取值較小，在片實現時很難保證精度，從而影響輸入端的匹配。 電阻負反饋型低噪聲放大器由于其占用面積小、噪聲系數低以及良好的線性度性能等特點，在無電感型寬帶低噪聲放大器的設計中存在較大的優勢。電阻負反饋型低噪聲放大器可以提供良好的寬帶匹配和平坦的增益。但是其負反饋會導致噪聲性能的惡化和{zd0}可用增益的降低，電阻負反饋型低噪聲放大器原理圖如圖1 所示。
圖1 電阻負反饋型低噪聲放大器原理 在電阻負反饋型低噪聲放大器中，輸入阻抗由反饋電阻和反饋放大器的閉環增益的比值決定。反饋電阻Rf的值通常遠大于源阻抗Rs。因此，為了匹配低的源噪聲電阻( 典型值為50 Ω) ，反饋電阻一般在幾百歐姆的量級，這一點也加重了噪聲指數的升高。在電阻負反饋的低噪聲放大器中，反饋電阻直接與輸出相連，需要在噪聲系數與輸入阻抗匹配直接做出一些折中，通常在反饋電阻與輸出端口之間增加緩沖電路來減少它們之間的影響，其電路原理如圖2 和圖3 所示。
圖2 傳統的負反饋型寬帶低噪聲放大器
圖3 改進的負反饋型寬帶低噪聲放大器 M2、M3 共同組成源跟隨電路，起著隔離輸入輸出端口，減小反饋電阻與輸出電路的作用，同時該源跟隨器還起著增大輸出驅動能力的作用，其輸出電阻為1 /gm2。合理地調節M2 的寬長比及偏置電流，可以使其輸出阻抗匹配至50 Ω。 |