以有源电感为负载的CMOS宽带LNA设计

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以有源电感为负载的CMOS宽带LNA设计

文章编号：１００８—０５７０（２００６）１２…２

电子设计ＣＭＯＳ

中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００６年第２２卷第１２—２期

０２４８

０３

以有源电感为负载的ＣＭＯＳ宽带ＬＮＡ设计

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（湖南大学）刘文用陈迪平陈弈星王镇道

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摘要：本文设计了一个基于数字ＣＭＯＳ工艺的以有源电感为负载的宽带低噪声放大器。其中包括了级联型有源电感的优化

益要求；在３ｄＢ带宽内，Ｓ１１在…１２

中图分类号：ＴＮ７２２

设计。电路采用共栅结构，用ＨＳＰＩＣＥ进行仿真优化，模拟结果表明电路工作良好，￥２１达到ｌＯｄＢ，电压增益为１７ｄＢ。满足增

１７ｄＢ之间，完全符合一般通信系统Ｓ１１＜一１０ｄＢ的要求：ＮＦ在３．６至４．９之间。通带的反

向隔离良好，大于４０ｄＢ．￥２２亦在一１４ｄＢ以下。

关键词：有源电感；ＣＭＯＳ；宽带低噪声放大器

文献标识码：Ａ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡｃｔｉｖｅＩｎｄｕｃｔｏｒ。ＣＭＯＳ．ｂｒｏａｄｂａｎｄＬＮＡ

１前言

随着ＲＦ通信系统市场的增长。越来越多的ＲＦ器件用ＭＯＳ工艺实现，包括电感和电容。就电感而言，目前的多数研究集中于片上无源电感的实现和建模。无源电感大多用来获得较好的匹配和功率增益．尽管通过使用立体电感或是微机电工艺可以克服片上无源电感的低Ｑ等缺点，却无法解决其占用面积过大的缺点。在低噪声放大器中，一个１～２ｎＨ的电感所占用的面积可能超过其余全部有源器件所占面积之和。而且．一个良好片上无源电感的实现常常要求一些特殊工艺．难以与主流的数字ＭＯＳ工艺兼容。因此。在噪声要求并非十分严格而对面积和价格更为关注的情况下，采用有源电感是一种不错的选择。

在片上实现有源电感的研究已经进行多年．有源电感主要用于带通滤波器和低噪声放大器部分。但因为噪声、电感Ｑ值低以及功耗等问题，有源电感在低噪声放大器中的应用亦不多见，主要还处于研究阶段。Ｊｈｙ—ＮｅｎｇＹａｎｇ等在２００１年提出了一种改进的高Ｑ值有源电感，解决了Ｑ值及功耗问题。然而却有Ｓ１１与￥２１峰值重叠的问题。在Ｊｈｙ—ＮｅｎｇＹａｎｇ等人于２００３年提出的高Ｑ值有源电感为负载的宽带ＬＮＡ中．尽管解决了Ｓ１１与￥２１峰值重叠的问题，却大大刘文用：硕士研究生

增加了噪声（达到８ｄＢ）。本文基于以上两文的研究，对有源电感作了改进，设计了一个基于ＣＭＯＳ工艺的以有源电感为负载的宽带低噪声放大器，在满足功耗及增益指标的情况下解决了Ｓ１１与￥２１峰值重叠的问题并得到较好的噪声指标（不超过５ｄＢ）。

文章第二部分介绍有源电感的设计原理．第三部分介绍以有源电感为负载的宽带低噪声放大器的设计。最后给出所设计电路与已有的电路的性能参数比较。

２有源电感原理

目前对ＣＭＯＳ有源电感的等效模型的研究已较多。典型的简单的级联ＣＭＯＳ有源电感如图１所示。此电路利用了器件的寄生参数。分析电路的等效小信号模型，可得：

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图１有源电感原理图

一２４８—３６０元，年邮局订阅号：８２－９４６

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电子设计

射，即得到最小Ｓ１１及ＶＳＷＲ，ＬＮＡ的输入阻抗应为５０欧。对于共栅放大器：源端输入阻抗为１／ｇｍ。那么只要选择适当的器件尺寸和偏置电流，共栅放大器就可获得５０欧源端输入阻抗。

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图２改善增益的有源电感

为了提高电路的增益并增加带宽．考虑在Ｍ１上级联一个ＭＯＳ管。得到图２。此外亦有另外增加一个Ｍ４以增加Ｑ值的调节度的方法，如图３。但是，不论使用何种结构，其电感等效电路都等效于图４。

其中：

图５设计的有源电感为负载的宽带ＬＮＡ

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以有源电感为负载的ＬＮＡ如图５所示。对于图５电路。ＭＩＮＰＵＴ完成输入功能。Ｍ１一Ｍ５、ＭＩＮＩＮ和ＭＴＬ实现有源电感。Ｍ３和Ｍ４主要影响增益，而其中Ｍ５反馈系统的增加可以降低电感的寄生电阻值，有益于输入输出的５０欧姆匹配．而Ｍ１～Ｍ４则有利于对电感各项参数，如Ｑ值和带宽等进行调节。但同时更对输入输出的匹配产生影响，适当调节其栅宽，可以改善Ｓ参数并分离￥２１和Ｓ１１的峰值。ＭＳ２和ＭＳＦ作为输出

寄生电阻主要由Ｍ２决定。

缓冲，完成输出阻抗变换。ＲＬ为５０欧负载。而ＭＳｌ与ＭＳ２都与输入端相连，对输入阻抗产生影响。其中ＭＳｌ作为输入管ＭＩＮＰＵＴ的偏置，对功耗影响很大。设计时必须在功耗及Ｓ参数值间取得折中。

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图３改善Ｑ值和输入电阻的有源电感

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图４有源电感等效电路

３以有源电感为负载的低噪声放大器的设计

为了得到性能指标较好的以有源电感为负载的ＬＮＡ，本文对Ｊｈｙ—ＮｅｎｇＹａｎｇ等人提出的有源电感形式进行了改进。文献２以差分形式的电感取得更好的增益，而文献３是以单端电感形式实现了ＬＮＡ的设计。为在较好的噪声系数下分离Ｓ１１与￥２１的峰值，本文提出了不对称的双端有源电感形式。

ＬＮＡ的可选构架包括共栅结构和共源结构。由于这里要设计的是宽带ＬＮＡ，并使其面积尽可能小，因此我们依然选择了共栅结构。

一般ＬＮＡ的输入源（如微带天线，传输线）的输出阻抗为５０欧。为获得最大功率且不在电路中产生反

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４仿真结果

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图６宽带ＬＮＡ仿真结果

采用０．３５ｕｍ工艺对电路进行仿真。得出仿真结果如图６所示。可以看出。本文提出的设计成功的分离了Ｓ１１与￥２１的峰值点。Ｓ１１的峰值基本被抑制．波形与一般的共源结构ＬＮＡ的Ｓ１１的波形相似。且在整个通带内都满足Ｓ１１＜一１０ｄＢ的要求。而￥２２尽管在２ＧＨｚ处出现峰值．却在依然整个通带内保持在一１３ｄＢ

万方数据　

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电子设计中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００６年第２２卷第１２－２期

ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ

以下。与此同时．ＬＮＡ的噪声系数在３ｄＢ带宽内保持在３．６至４．９ｄＢ，大大优于文献［３］中的８ｄＢ值，基本满足宽带ＬＮＡ的要求。而电路的功耗亦保持在２０ｍＷ．与文献［３ｙＰ的功耗相当。将仿真结果与国际上一些已完成项目做比较，如表１。

表１

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ａｎｄＳｏｌｉｄ

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（４１００８２湖南大学物理与微电子科学学院）刘文用陈迪平陈弈星王镇道

通讯地址：（４１００８２湖南大学物理与微电子科学学院）

刘文用

（收稿日期：２００６．６．２７）（修稿日期：２００６．７．２５）

ＬＮＡ性能参数比较

Ｓ２１，ｄＢ

有源电感是否

否

３ｄＢ带宽

／Ｇ｝Ｉｚ

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工艺

／ｔａｎ

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２０

本文文献【５ｌ文献【６】文献【７］文献【８】文献［９】文献【１０】文献【３１

３．６—９

２．１４８３

．１２～１７．４～５．１６．６～１２．１５１ｌ一１８．７～１６

１０

１５一１２

２３．２

１０２０２ｌ３

８

８．４

（上接第９３页）

已读取完毕，启动新一轮的编码。ｉｍｅ６４００＿ｒｅａｄ０被唤醒后．将内核缓冲区数据拷贝到用户缓冲区，然后返回并等待用户进程的下一次调用。ｉｍｅ６４００＿ｒｅａｄ０返回后．用户空间读到编码数据退出阻塞状态，然后读线程以信号量通知写线程，由写线程完成将缓冲区数据存储至硬盘。

否

９８

３９．－４３３９２８

１６４～１６

２８

否否

９

１９２

．１７

２０

是是

窄带

ｌ

４０８

１８

０２５

５结论

本文设计了一种以有源电感为负载的宽带低噪声放大器。采用有源电感代替片上螺旋电感，大大缩小了芯片面积。在权衡各项指标的情况下得到较为理想的性能参数，并得到ＨＳＰＩＣＥ仿真结果论证。￥２１达到ｌＯｄＢ．电压增益为１７ｄＢ。在３ｄＢ带宽内，Ｓ１１在一１２—．１７之间．ＮＦ在３．６至４．９之间。通带的反向隔离大于４０ｄＢ．￥２１亦在一１４ｄＢ以下。

本文作者创新点：提出了不对称的双端有源电感形式。解决了增益的问题，并实现了较好的噪声系数

　下Ｓ１１与￥２１的峰值分离。

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ｔｏｒ－ｌｅｓｓＣＭＯＳＬｏｗＮｏｉｓｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ

ｅｔ．Ａ１，”Ａ１．７５ＧＨｚ

４结束语

系统目前已完成了初步调试，可实时压缩存储最大分辨率为７２０ｘ５７６全帧率的４：２：２的彩色视频，采用２Ｇ的电子硬盘．在７２０ｘ５７６分辨率下可记录２小时以上，且图像质量较好。同时系统还具有较好的灵活性，可以通过设置视频图像分辨率大小、量化系数、帧率等参数，来达到对图像大小、图像质量及码率等方面的不同要求．以满足不同场合应用的需要。

本文作者创新点：设计并实现了基于ＡＲＭ及嵌入式Ｌｉｎｕｘ平台的ＭＰＥＧ一４压缩记录，实现了系统的

Ｉｎｄｕｃ－

一体化、小型化、高性能、低功耗，在硬件设计上采用核心板加底板的模块化设计方法，在软件上完成了Ｌｉｎｕｘ系统下驱动程序的开发。

参考文献：［１］ＩＭＥ６４００

ｆｉｒｍｗａｒｅｍａｎｕａｌ．ＩｎｔｉｍｅＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．２００３．

３２－ＢＩＴ

ＲＩＳＣ

ＭＩＣＲＯＰＲＯＣＥＳＳＯＲ

ＵＳＥＲ

Ｓ

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３ｒｄＩＥＥＥ

Ｗｏｒｋｓｈｏｐ０１３．３０Ｊｕｎｅ一２Ｊｕｌｙ２００３Ｐａｇｅ（ｓ）：８６—８９．［４ＩＡ．ＴｈａｎａｃｈａｙａｎｏｎｔａｎｄＡ．Ｐａｙｎｅ，”ＶＨＦＣＭＯＳｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

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［２］￥３Ｃ２４１０Ｘ

ａｃ—

ＭＡＮＵＡＬ．ＳａｍｓｕｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．２００１．

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『５１Ｍ．Ｍａｄｉｈｉａｎ。Ｈ．Ｆｕｊｉｉ．Ｈ．Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｈ．Ｓｕｚｕｋｉ，ａｎｄ

ｉ．”Ａ

１。１０ＧＨｚ０．１８ｕｍＣＭＯＳ

Ｍｕｌｔｉ—ＭｏｄｅＷｉｒｅｌｅｓｓ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，”ＩＥＥＥＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍＤｉｇｅｓｔ，２００１．ｖ０１．３，ＰＰ．

作者简介：危自福（１９８２一），男，硕士研究生，研究方向为视频压缩与传输，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｅｉｚｉｆｕ６１４＠１２６．ｃｏｍ；毕笃彦（１９６２一），男，教授，研究方向为图像处理，图像分析，数据压缩；杨洋（１９８１一），男，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统。

Ｂｉｏｇｒａｐｈ）ｒ：ＷｅｉＺｉｆｕ（１９８２一），ｍａｌｅ，ｍａｓｔｅｒ，ｍａｊｏｒ．ｖｉｄｅｏｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ

ａｎｄ

１８６５—１８６８．

［６１Ｄ．Ｍｕｋｈｅｊｅｅ，Ｊ．Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｊｅｅ，Ｓ．Ｃｈａｋｒａｈｏｎｙ。ａｎｄＪ．Ｌａｓｋａｒ，”Ａ５—

６ＧＨｚＦｕｌｌｙ——ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣＭＯＳＬＮＡｆｏｒｃｅｉｖｅｒ．”ＩＥＥＥＲａｄｉｏａｎｄ

ａ

Ｄｕａｌ——ＢａｎｄＷＬＡＮＲｅ－

ＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００２．ＰＰ．２１３－２１５．

『７１Ｔ．Ｐ．Ｌｉｕ。”５ＧＨｚＣＭＯＳＲａｄｉｏＴｒａｎｓｃｅｉｖｅｒＦｒｏｎｔ—ＥｎｄＣｈｉｐｓｅｔ，”

ＩＥＥＥ１９３３．

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄ—ＳｔａｔｅＣｉｒｃｕｉｔｓ，２０００．ｖ０１．３５，（１２），ＰＰ．１９２７－

ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｅｉｚｉｆｕ６１４＠１２６．ｃｏｍ．

作者简介：刘文用（１９８３一），男（汉族），湖南邵东人，湖南大学物理与微电子科学学院微电子学与固体电子学专业硕士研究生，研究方向为射频集成电路。

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：Ｌｉｕ

（７１００３８西安空军工程大学工程学院）危自福毕笃彦（７１００４９西安市西安交通大学）杨洋

通讯地址：（７１００３８西安市空军工程大学工程学院四系信号与信息处理实验室）危自福

（收稿日期：２００６．６．２７）（修稿日期：２００６．７．２５）

Ｗｅｎｙｏｎｇ（１９８３一），ｍａｌｅ（Ｈａｎｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ），ｂｏｒｎ

ｉｎ

ＳｈａｏｄｏｎｇＣｏｕｎｔｙ，ＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ，ａ

ｇｒａｄｕａｔｅｓｔｕｄｅｎｔｏｆＣｏｌｌｅｇｅ

一２５０—３６０元，年邮局订阅号：８２—９４６

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以有源电感为负载的CMOS宽带LNA设计

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：

被引用次数：刘文用，陈迪平，陈弈星，王镇道， LIU WENYONG， CHEN DIPING， CHEN YIXING，WANG ZHENDAO410082,湖南大学物理与微电子科学学院微计算机信息CONTROL & AUTOMATION2006,22(35)2次

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