应用于北斗接收机的低噪声放大器设计

程知群，周苏萍，林隆乾，冯玉洁，张铝坡

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江杭州310018)

0 引言

卫星导航系统已经在全球得到广泛的应用，也正发挥着越来越多的作用。目前全世界已经有4个卫星导航定位系统(GPS、GLONASS、“北斗”和Galileo)。在我国已经自主开发的第一套系统“北斗一号”系统存在着明显的不足之处:一是终端的体积和功耗都较大，定位的时间也较长;二是它的定位的精度比较差。为了弥补上述不足，开展了“北斗二号”系统的开发。低噪声放大器是接收机中的关键电路，其性能直接影响到接收机的性能。对于窄带应用，源简并电感共源共栅结构因为其极好的噪声系数和增益而得到广泛应用［1］。报导了很多的改进结构，用电流镜结构代替共栅管来进行电流放大［2］、把大电感Lg用LC并联匹配网络代替，节省了芯片面积［3］、差分共源管漏极之间引入电感，以减少寄生电容的影响［4］。本文针对“北斗二号”的应用，设计了一种B1频段的低噪声放大器，其工作中心频率为1 561.098MHz。基于SMIC0.18μm CMOS工艺，采用交叉耦合电容全差分共源共栅的电路结构，在噪声系数、功耗、输入输出匹配、线性度等多个指标进行折中优化，仿真结果表明，设计的低噪声放大器性能良好。

1 电路结构分析

低噪声放大器的电路结构是基于cascode结构改进型设计，如图1所示。M1、M2为源极放大得到较优的噪声系数。输入匹配网络中的Lg1、Lg2、C1、C2、Cb1、Cb2与源极放大器的寄生电容Cgs使得输入阻抗的虚部为零。差分共源放大器的输出信号由Cc1和Cc2交流耦合M3和M4。负载电感Ld1和Ld2在工作频率与电容C3、C5和C4、C6谐振，形成输出匹配网络。晶体管M5与 Rbias和Rref组成偏置电路为M1管和M2管提供偏置电压。

图1 LNA拓扑结构

2 电路设计

2.1 晶体管优化设计

在未给定功耗约束的条件下，设定Is=7mA进行设计。由于共源共栅电路中噪声主要由M1、M2决定，所以重点是在功率消耗限定的情况下，求出M1、M2的尺寸。根据在功耗限定的条件下获得最优噪声，晶体管的优化栅宽为［1］:

式中，ω =9.8rad/s，栅长L=0.18μm，栅氧化层电容 Cox=8.92 ×10－3F/m2，Rs=50Ω，Qsp为噪声最优匹配时输入端的品质因数，取值范围为3.5－5.5［6］，本文取值为4.5。经计算可得 Wopt约为423μm。由于电路存在寄生参数的影响，电路最终优化出来的M1与M2的宽度为500μm。

2.2 输入匹配电路设计

传统的输入匹配网络小信号等效电路如图2所示。由该小信号等效电路可以看出，输入阻抗表达式为:

若用此输入匹配网络，在满足匹配条件下，即使输入阻抗的实部为50O，虚部为零。此时Ls=显然，栅极电感 Lg的值较大会带来集成实现不便和附加噪声较大的问题［7］，因此引入电容C1(C2)，输入端小信号模型如图3所示。这样输入阻抗的表达为:

式中，C1(C2)的引入增加了输入匹配的调谐裕度，使得Ls的值下降，更有利于工艺的集成。经过电路最后的调谐和优化，各元件的取值为Lg=8.0nH，C1=0.625pF，Ls=0.64nH。

图2 改进前小信号等效电路

图3 改进后小信号等效电路

2.3 交叉耦合电路设计

设计中采用了交叉耦合电容以提高共栅管的跨导。共栅管是用来减小第一级共源管的Cgd引起的Miller效应以及增强整个电路的反向隔离性能。在没有考虑栅漏电容、晶体管的Miller效应的情况下，共栅极的跨导可以表示如下［7］:

所以当Cc≫Cgs时，有效跨导为晶体管gm的两倍，因此提高了整个电路的增益。

3 仿真结果

电路设计采用了SMIC0.18μm CMOS工艺库，使用ADS软件进行电路的仿真和优化。小信号S参数如图4所示。从图4中可以看出，在工作的中心频率1.561GHz，S21为19.684dB，表现出较高的增益;S11和数S22分别小于－13dB和－40dB，表明端口反射较小;S12小于－40dB，表明反向隔离度较高。LNA的噪声系数随频率的变化曲线如图5所示，在中心频率点1.561GHz的噪声系数为2.045dB。三阶交调测试曲线如图6所示，图6中显示在中心频率处的IIP3为－5.5dBm，表现出电路良好的线性度。

图4 S参数

图5 噪声系数NF

图6 IIP3仿真结果

4 结束语

本文采用SMIC0.18μm CMOS工艺，设计了应用于北斗二号B1频段的低噪声放大器。仿真结果表明，在功耗限制的情况下，放大器有较低的噪声，有较好的增益和线性度，因此，满足了预期的设计要求。

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