LNA设计心得

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我是靠谱客的博主飞快战斗机，最近开发中收集的这篇文章主要介绍LNA设计心得，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

一、LNA与一般放大器的区别

LNA低噪声放大器，顾名思义，它具有输入噪声低的特点。LNA一般用于射频接收机的前端，接收特定频率的小信号，通过放大后进入下一级混频。因此除了放大功能外，LNA有以下几点不同：

输入端含有50欧姆的源负载 $R_s$ ，需要做输入匹配达到最大的输入功率传输效率
输出端含有50欧姆的负载 $R_L$ ，需要做输出匹配达到最大的输出功率传输效率
需要对特定频率做选择，内部有电容电感原件
噪声系数NF是重要指标

设计过程中碰到的难点主要有两个：一、如何确定电路的结构？二、如何调参数满足设计要求。

二、设计要求

LNA的工作频率为1.7~1.8GHz，工作电压2.7V，且满足：

S11(dB)	S12(dB)	S21(dB)	S22(dB)	NF(dB)	IIP3(dBm)	current
<-10	<-20	>20	<-10	<2	>-10	<10mA

current表示静态电流要小于10mA，S21就是我们常说的放大增益20dB=10倍。S12表示输出信号对输入信号的干扰，它要越小越好，称为反向隔离度。S11和S22分别为输入输出的反馈系数，也尽量越小越好。噪声系数是所有的输出噪声折合到等效输入噪声和源噪声的比值：
$NF=frac{overline{dV_{out}^2}}{A^2 }frac{1}{4kTR_s}<2dB=1.585$
最后是IIP3，表示3阶效应导致的输出功率和线性放大的输出功率相等时的输入功率，它要大于 $10^{-10/10}=0.1mW$ 。IIP3越大，表示线性度越好。

三、结构选择

查找了很多相关资料，包括Razavi的《RF Microelectronics》第二版, 迟保勇的《CMOS射频集成电路分析与设计》，要么结构太抽象，要么太复杂。终于在bing上搜到一篇简单入门的计算样例，手把手计算电路参数：Tutorial2_LNAS_TSEK03_Typed

仿照它的结构，最后确定了自己的电路结构：

它采用带源极负反馈的cascode结构，该结构不用引入额外的电阻做输入匹配，而是用巧妙利用了电感 $L_s,L_g$ 和栅电容 $C_{gs}$ 等无噪声器件，大大减小了噪声系数：

$C_c$ 为隔直电容， $L_g$ 和 $L_s$ 用于匹配输入阻抗 $R_s=50Omega$ 。
$L_d,C_L,R_o$ 用于匹配输出阻抗 $R_L=50Omega$ 。 $R_o$ 约等于1k，可适当减小来增大线性度 $IIP_3$ 。
$M_2$ 是cascode管能够隔离输入输出，增大反向隔离的程度。 $M_1$ 是放大管，其宽度对lna的性能影响很大。
$M_3$ 和 $R_f,R_b$ 提供恰当的偏置电压。

四、参数调节

仿真采用的NMOS管是老师经过加工后的管子，只能调节管子figure数fin和并联数mul，本质就是调节管子宽度W。调节时的中心频率是1.75GHz。

需要调节的参数挺多： $L_s,L_g,L_d,C_L,R_o,fin,mul$ ，该如何拨云见日，逐步确定这些参数呢？如果不满足设计要求，又该如何微调？它们之间是如何影响的？

这个问题困扰了我很久，终于在某次等车的得到灵感：其实真正的确定指标的参数只有两个：NMOS的宽度W和流过的电流。这两个参数如果确定，可以通过输入输出匹配确定 $L_s,L_g,L_d,C_L$ 。如果性能仍有差距，那么可以微调 $R_o$ 或mul(电流)，再重新匹配输入输出阻抗。

1、 $f i n, m u l$ 的确定

Gmax仿真是与匹配无关的增益，可以扫描栅极偏置电压，确定其值多大的时候能达到平缓的增益平台和小于10mA的电流。

上图是fin=6，mul=12时，扫描M1栅极电压得到的 $G_{max}$ 和静态电流曲线。可以看出，当偏置电压为1.2V时，增益 $G_{max}=20dB,I_d=6.3mA$ ，满足设计要求。