2.4G低噪声放大器电路的设计和仿真分析

忽略反馈支路Lf,Cf与Rf以及偏置电路的影响,LNA的输入阻抗为:

其中,Cgs1为M1的栅-源复盖电容;Zeff为π型网络的等效阻抗;gm1为M1在饱和区的跨导;ω为中心频率。

当输入阻抗与电压源阻抗Rs匹配时,应有:

对于共栅级M2,其输入阻抗为:

通常情况下M1与M2之间并无匹配,但由于共源级的输出阻抗与共栅级的输入阻抗都是容性,因此在两级间增加一个电感La匹配以提高增益。

对于输出端,C0是一个隔直流的电容;Lt,Ct与Rt形成输出匹配网络,与下一级电路匹配。

图1中Lf,cf与Rf形成电压并联负反馈。为了补偿高频增益,必须使高频时的负反馈量减少,因此,并联反馈网络必须是感性而不能是容性的。电容Cf是隔直流电容,其容量足够大,在工作频带内可看过短路。由于共源共栅的输出阻抗很大,因此Rf的取值下限为900~1 100Ω,以便能在不增加噪声系数的前提下提高电路带宽。在反馈电阻Rf确定之后,应使Lf在欲提升的频率处的阻抗值ωLf接近Rf值,大致按ωLf=(0.2~5)Rf选取,使反馈阻抗随频率变化较大,反馈量变化大,频率特性变化明显。

对于LNA而言,噪声主要来源于闪烁噪声、热噪声和散粒噪声。其中,闪烁噪声又称为1/f噪声,主要来源于场效应管的氧化膜与硅接触面的工艺缺陷或其他原因,通常在射频下忽略不计。热噪声是由于电子热运动引起的,在射频情况下其量值将随频率的升高而明显增大。散粒噪声的大小正比于工作电流。因此,低噪声放大器主要考虑热噪声与散粒噪声的影响。

在有功耗约束情况下达到最小噪声系数时的信号源品质因数Qs为:

当QsP确定后,最优化器件宽度为:

对于宽度为Wopt,P的器件,可得功耗约束范围内的噪声系数:

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