采用噪声消除技术的3～5 GHz CMOS超宽带LNA设计

2. 2　增益分析

对图2进行分析和推导,可得到主放大电路的增益Amain ( s)的表达式:



式中, Zinx ( s)是X 处的对地阻抗。为加大电路增益可采取增大等效跨导Gm ,加大负载阻抗ZL 等办法。但Gm , ZL 等参数均与频率有关,这些参数的变化会影响增益平坦度,所以设计时需折衷考虑。

为了进一步提高主放大电路的增益,在输出缓冲器M3 的栅极前串联电感L3, 其增益提升原理可用图4 ( a)所示的放大器等效模型加以解释。CLoad可以看作是M3 的输入电容。图4 ( b)为模型的小信号等效电路。分析小信号等效电路的增益有:



由式(12)和式( 13)可知, 电感L3 的引入达到了提高增益的目的。当L 与CLoad在ω2 处谐振时有:




图4

宽带LNA中的输出负载需要采用低Q 值电路。

图4 (c)为输出负载,图4 ( d)为输出负载的等效电路,Cout为放大电路的输出电容。负载Q值可表示为ωRp(Cp +Cout )。使L2 与(Cp +Cout )谐振在所需要的频点(ω1 ) ,再选择合理的Rp 值,使Q值满足带宽要求即可。

由式(14)和对输出负载的分析知,电路增益将出现两个峰值频点即ω1 和ω2。因此合理选择Cd 和L3 的值,可以获得良好的增益平坦度。通过仿真, 选取L2 =4. 6 nH, Rd =575Ω, Cd =5. 4 pF, L3 =715 nH。

2. 3　噪声抵消分析

分析图5 可知, Cascode结构的噪声电流Ini流过反馈阻抗ZF ( s) 、电感Lg 和Rs ,在M1 的栅极和M2 的漏极分别产生两个相位相近但幅度不同的噪声电压VZ, ni和VY, ni。如果通过反相放大器M4 将VZ, ni放大,通过同相放大器M3 将VY, ni放大后在输出端叠加,就可以将Ini在输出端产生的噪声电压Vout, ni减小,而输入信号将被分别放大后叠加 。VZ, ni、VY, ni和Vout, ni由式(15) (16) (17)表示:



其中M3、M4 的增益为:



定义等效噪声阻抗:





图5　噪声消除技术原理图