【摘 要】本文采用了SMIC0.18 μm工艺，设计了一款应用在2.4Ghz（蓝牙系统）的低噪声放大器（LNA）。通过该实例，详细介绍了设计CMOS低噪声放大器的整个过程。文章先初步构建了一个单端共源-共栅结构放大电路，然后对该放大电路进行了理论分析，最后采用射频设计软件ADS（Advanced Design System）对其进行了模拟优化，在2.4Ghz时获得了1.443dB的噪声系数（NF）。模拟结果表明本文设计的低噪声放大器有噪声低，增益高的优点，且匹配良好。
【关键词】低噪声放大器（LNA）；CMOS；共源一共栅结构；ADS（Advanced Design System）
一、引言
低噪声放大器（LNA）是广泛应用于微波通信、雷达、GPS接收机，遥感遥控、蓝牙等各种接收系统的关键部件，属于射频前端接收器，是必不可少的关键电路。其重要作用有两方面，一方面是对天线所接收到的微弱信号进行放大，另一方面是对该微弱信号进行降噪处理。由于LNA的输出信号会传输到下一级进行处理，因此，LNA性能的好坏会大大影响到整个系统的性能。尤其是其噪声系数，是设计的关键所在，它的增益将决定对后级电路的噪声抑制程度，它的线性度将对整个系统的线性度和共模噪声抑制比产生重要影响。LNA的设计需要满足以下要求：第一，应该具有足够高的增益及接收灵敏度；第二，应该有足够高的线性度，来抑止干扰和防止灵敏度下降；第三，端口应当匹配良好，信号能够有效的传输，除此之外，还应满足有效隔离、防止信号泄漏以及稳定性等方面的要求。一直以来，由于CMOS器件的频率特性较差，人们不得不采用GaAs或Bi-CMOS等工艺来实现LNA。而后端部分通常使用CMOS工艺，这样就造成了两种工艺的不兼容性，使得无线通信系统的片上集成十分困难。因此对工艺的统一十分重要，由于GaAs或Bi-CMOS等工艺并不适合后端的基带部分，因此我们希望能够改变LNA的工艺制造来提高兼容性。随着CMOS工艺的发展，这个问题慢慢得到了改善，在栅长发展到低于0.1μm以后，Si-MOS器件的工作频率也得到了大大的提高，截止频率可达200GHz以上。这为基于CMOS工艺的LNA的制造创造了有利的条件。本文采用了SMIC0.18μm工艺，使用射频设计软件ADS（Advanced Design System）设计了一款高性能的低噪声放大器，可以应用于蓝牙频段的射频前端。本设计的预期指标为：中心频率为2.4GHz，增益大于16dB，噪声系数小于2dB，功耗小于10mW，采用1.5V电源供电。
二、电路结构与理论分析
通常，低噪声放大器主要由四个部分组成：输入匹配电路，放大电路，偏置电路，输出匹配电路。在本设计中较为核心的放大电路，采用了最为成熟稳定的共源—共栅结构。在该放大电路中，M1管为主放大管（共源管），提供足够的增益。M2管（共栅管）用来减少M1管的寄生电容所引起的密勒效应及增强方向隔离性能，同时增大放大器的输出阻抗。其中的Cin为隔直电容，L5，Lg用来实现输入阻抗匹配。M3为M1提供镜像电流，R2阻值设的足够大，这样可以避免高频信号进入偏置电路，还可以抑制偏置电路中的噪声进入核心电路。M2给放大器提供一个低阻抗负载，降低了Miller效应的影响，同时还提高了反向隔离性。L，C1，C2可以很好的实现输出匹配。
图1 共源一共栅结构的LNA电路结构图
在设计中，我们采用了SMIC0.18μm工艺，理论分析过程及设计思路如下：首先考虑噪声晶体管M1最优宽度W：W≈，式（1）。其中，C=，对于信号源电阻Rs，取值为50Ω，可以计算出W值。然后，合理选取M3和R1为M1提供合适的偏置电流，通常M3宽度为M1的1/10。由输入阻抗Zin，可以确定Ls与L：Z=jω（L+L）++ωL，式（2）。其中ω≈，g=μmC（W/L）（V-V），C=2/3WLC由于输入阻抗实部要求为50Ω，即ωL=50Ω，由此可以确定Ls的值。再由输入阻抗虚部位为0，即ω（L+L）+=0，式（3），我们可以确定Lg的值。最后可以通过ADS进行调试来选择L，C1，C2，以实现输出阻抗匹配。在此过程中，我们只需要得到各个参数的一个大概范围即可，更加精确的值，我们可以通过ADS仿真得到。
三、ADS仿真验证
文章采用SMIC0.18μm工艺库，使用射频设计软件ADS对电路进行了验证与优化，在ADS中，完整的电路图如图2所示，其中的电路参数都是经过优化之后的结果。模拟结果现实，该电路具有低噪声，很好的匹配性及较高的增益等性能。
图2ADS优化后电路结构图
在调试过程中，应该按照先局部后整体优化进行。局部电路是指前面所说的LNA的四个子电路，即输入匹配电路，放大电路，偏置电路和输出匹配电路。在调试时，我们可以先对这个四个模块分别进行优化，在对整体的电路进行优化，得到最终的优值。图3是该电路噪声性能模拟结果，由图3可以看出，在2.4Ghz工作频率下，噪声系数NF为1.443dB，最小噪声系数出现在2.1Ghz附近，大小为0.8dB，表明该电路具有良好的噪声性能。该性能远好于基于0.35μmGe-Si的BiCMOS的结果，也接近于TSMC0.13μmCMOS工艺的结果。足以满足我们的设计指标，且留有一定容差。
图3 噪声系数模拟结果
图4～图6分别是S21，S11，S22指标的模拟结果。首先看S21，S21即为电路的增益系数，由图4可以看到，设计的LNA在大约2.4Ghz时达到了峰值22.695dB，也超出了我们的设计要求，这个值也大于参考文献[4]所获得的结果。从图5和图6中，我们可以看到S11，S22分别为-23.651dB和-19.895dB，都远小于-10dB，可见输入输出回波损耗很小，匹配良好。
图4 S21模拟结果图5 S11模拟结果
图6 S22模拟结果
此外，该电路采用了1.5V电源供电，经计算，功耗较小，约为7.5mW。
四、结论
本文采用SMIC0.18μm工艺标准，设计了一种适用于射频蓝牙系统（2.4Ghz）的CMOS低噪声放大器，使用ADS进行了仿真优化。模拟表明，在2.4Ghz工作频率下，噪声系数NF为1.443dB，增益S21达到了22.695dB，S11和S22分别为-23
651dB和-19.895dB，实现了良好的匹配。此外，采用1.5V供电的系统功耗为7.5mW，这些指标表明，该电路具有低噪声，低功耗，高增益的优势，完全可以满足蓝牙系统的要求。
参 考 文 献
[1]周建明，陈向东，徐洪波.1.9GHz0.18μmCMOS低噪声放大器的设计[J].通信技术.2010
[2]孟林，杨勇，牛磊，邓龙江.射频低噪声放大器的ADS设计[J].理论与实践.2007
[3]黄波.基于0.18μmCMOS工艺的2.4GHz低噪声放大器的设计与实现[D].国防科技大学硕士学位论文.2009
[4]戴广豪，李文杰，王生荣，李竞春，杨谟华.一种新型2.4GHzSiGe
BiCMOS低噪声放大器[J].微电子学.2006
[5]孙嘉新.CMOS2.4GHz低噪声放大器的ADS研究设计[J].电脑知识与技术.2010
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