LNA设计心得

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，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，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：

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。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：

schematic.jpg

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和栅电容等无噪声器件，大大减小了噪声系数：

• 为隔直电容，和用于匹配输入阻抗。
• 用于匹配输出阻抗。约等于1k，可适当减小来增大线性度。
• 是cascode管能够隔离输入输出，增大反向隔离的程度。是放大管，其宽度对lna的性能影响很大。
• 和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：，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。如果性能仍有差距，那么可以微调或mul(电流)，再重新匹配输入输出阻抗。

1、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。

1_Gmax.jpg
上图是fin=6，mul=12时，扫描M1栅极电压得到的和静态电流曲线。可以看出，当偏置电压为1.2V时，增益，满足设计要求。

2、的确定

接下来通过史密斯圆图的方法做输入的阻抗匹配。

先让lg(如0.1n)很小，扫ls，让其经过模50欧姆的阻抗圆，取交点处的电感值0.8n。

3_s11a.jpg

令ls为0.8n，再扫lg，让其经过50欧姆的中心点，取交点处的电感值24.8n。

3_s11b.jpg

图中的曲线没有经过中心点，需要微调ls，当lg=1.05n时经过中心点，lg=24.8n

3_s11c.jpg

3、的确定

先让cl(如100p)很大，扫ld，让其经过模50欧姆的阻抗圆，取交点处的电感值19.4n。

3_s22a.jpg

令ld=19.4n再扫cl，让其经过50欧姆的中心点，取交点处的电容0.328p。必要的时候还需要微调ld。

3_s22b.jpg

4、IIP3调节

阻抗匹配好之后，S11、S12、S21、S22、NF的要求基本能满足，但IIP3令人头疼：

3_iip3.jpg

图中的IIP3为-15dBm，小于-10dBm，不达标。

经过艰难的探索，发现可以适当减小Ro至700欧姆，重新调整输出阻抗匹配，得到符合指标的LNA。

4_lna_cell.jpg

五、仿真结果

1、DC直流工作点

3_dc.png
总电流为，放大管偏置电压，饱和电压。

最终的各性能曲线如下：

3_sxxiip3.jpg

参数	指标要求	仿真数值
工作频率	1.7-1.8GHz	1.75GHz
S11	<-10dB	-32.3dB
S12	<-20dB	-37.0dB
S21	>20dB	20.5dB
S22	<-10dB	-14.7dB
NF	<2dB	0.823dB
IIP3	>-10dBm	-9.5dBm

六、回顾

射频是这学期最费心力的课，不像模大可以找到手把手推导的资料，需要有摸索的过程，颇有“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”的感觉。