射頻低噪聲放大器電路的結構設計

1、射頻LNA設計要求

低噪聲放大器(LNA)作為射頻信號傳輸鏈路的第一級，它的噪聲系數特性決定了整個射頻電路前端的噪聲性能，因此作為高性能射頻接收電路的第一級LNA的設計必須滿足：

(1)較高的線性度以抑制干擾和防止靈敏度下降；

(2)足夠高的增益，使其可以抑制后續級模塊的噪聲；

(3)與輸入輸出阻抗的匹配，通常為50Ω；

(4)盡可能低的功耗，這是無線通信設備的發展趨勢所要求的。

2、Inductive degenerate cascode結構LNA

Inductive-degenerate cascode結構是射頻LNA設計中使用比較多的結構之一，因為這種結構能夠增加LNA的增益，降低噪聲系數，同時增加輸入級和輸出級之間的隔離度，提高穩定性。Inductive-degenerate cascode結構在輸入級MOS管的柵極和源極分別引入兩個電感L_g和L_s，通過選擇適當的電感值，使得輸入回路在電路的工作頻率附近產生諧振，從而抵消掉輸入阻抗的虛部。在圖1中LNA的輸入阻抗為：

(1)

當處于諧振狀態時： (2)

那么： (3)

輸入阻抗呈現純電阻特性，其值由L_s和確定。由分析可知應用Inductive-degenerate cascode結構輸入阻抗得到一個50Ω的實部，但是這個實部并不是真正的電阻，因而不會產生噪聲，所以很適合作為射頻LNA的輸入極。

3、高穩定度的LNA

cascode結構在射頻LNA設計中得到廣泛應用，但是當工作頻率較高時由于不能忽略MOS管的寄生電容C_gd，因而使得整個電路的穩定特性變差。對于單個晶體管可通過在其輸入端串聯一個小的電阻或在輸出端并聯一個大的電阻來提高穩定度，但是由于新增加的電阻將使噪聲值變壞，因此這一技術不能用于低噪聲放大器。

文獻對cascode結構提出了改進，在圖1的基礎上通過在M2管的柵極接上一個小值的電感L_g2就可以實現在增益不變的情況下，提高電路的穩定性，同時在M2管的漏極上接一個小值的電阻以調節電壓增益如圖2(a)所示。(b)所示的是小信號等效電路，其中Z1代表省略部分的等效阻抗，可以看到由于M2管的寄生電容C_gd2的值比較小，所以對于輸出端阻抗而言，L_g2幾乎可以忽略。因為放大器的增益等于輸出阻抗和輸入阻抗值之比，所以增加L_g2后并沒有影響LNA的增益，電壓增益為：

(4)

其中Z_Load=jwL_out//(jwC_out)^-1//R_out，Z_s是源端電感L_S的阻抗。