射频放大器与LNA设计
射频前端放大器的核心挑战是在 GHz 频段同时实现增益、噪声匹配和输入阻抗匹配(通常 50 Ω)。Gray §11.6-§11.7 系统介绍了从调谐放大器(利用 LC 谐振选择频率)、宽带射频放大器到低噪声放大器(LNA)的完整射频放大设计方法。LNA 的三种经典拓扑——源极退化 CS-LNA、共栅(CG)LNA和并联-并联反馈 LNA——各有不同的噪声-匹配折衷特性,构成了射频接收机前端设计的基础。
前后关系
前置知识:
- 宽带放大器技术(§11.1-§11.5)— 宽带放大技术基础
- 集成电路噪声分析(§7)— 热噪声和输入参考噪声
- 单管放大级(§3)— CS/CG 基本级
- MOS晶体管模型与特性(§1.5-§1.6)— 高频寄生参数和 f_T
本书内部链条:
- 射频放大器与LNA设计(本文)→ 数据转换器基础(Ch.10)— 射频接收机 ADC 驱动
外部关联:
- Jitter与Phase Noise关系 — 射频本振的相位噪声
- 无线系统中Phase Noise影响 — 射频系统中的相位噪声效应
- CT-ΔΣ调制器的高层设计与开关电容积分器 — 射频带宽的 ΔΣ ADC
原理介绍
11.6 射频放大器
11.6.1 调谐放大器(Tuned Amplifier)
结构(Gray Fig. 11.17):
- 负载网络为 LC 并联谐振回路
- 谐振频率:
- 增益在 处最大,远离 则下降
增益特性:
简化版本:
LC 负载阻抗:
品质因数 Q:
- 在谐振时:(电感损耗和负载等效并联电阻)
- 3dB 带宽:
调谐放大器的噪声(Gray Eq. 11.51):
11.6.2 宽带射频放大器
通过选择较低的 Q 值(失谐或增加阻尼)来拓宽通频带。
Fano 极限:对于给定的负载阻抗,匹配网络的增益-带宽积存在理论极限。
11.7 输入匹配与低噪声放大器(LNA)
在任何射频接收机中,LNA 是第一级放大,其噪声系数直接决定整个接收机的灵敏度。
射频匹配的基本概念
- 输入阻抗需匹配到 50 Ω(或 75 Ω)以最小化信号反射
- 匹配同时优化噪声匹配(使 LNA 的噪声系数最小)
- 输入匹配和噪声匹配的最优条件通常不同,需要折衷
S11(回波损耗):
目标:S11 < -10 dB(代表 90% 以上的功率传输到 LNA)
11.7.1 源极退化 CS-LNA(Inductive Source Degeneration LNA)
结构(Gray Fig. 11.21):
- CS 晶体管 + 源极电感 + 栅极电感
- 和 与 C_gs 形成串联谐振
输入阻抗:
在谐振频率 处:
匹配条件:设计 和偏置电流使
噪声特性(Gray Eq. 11.60):
优化:
- 提高 (选择更小沟道长度、更大偏置电流)
- 是沟道热噪声因子(长沟道 2/3,短沟道 1-3)
- 通过调整 实现同时的输入匹配和噪声匹配——这是源极退化 CASCODE LNA 成为最广泛使用的 LNA 拓扑的原因
完整 Cascode LNA(Gray Fig. 11.22):
- 输入管 + Cascade 管(减少 Miller 效应 + 提高反向隔离)
- 输出负载:LC 谐振(调谐)或电阻(宽带)
- 偏置电路:电流镜提供偏置
设计流程:
- 选择偏置电流使
- 选择 使
- 选择 使
- 选择输出负载满足增益和带宽要求
11.7.2 共栅(CG)LNA
结构(Gray Fig. 11.23):
- 输入信号接到共栅管的源极
- CG 管的输入阻抗 (低频)
输入匹配:
匹配条件: →
噪声系数:
CG LNA vs CS-LNA 对比:
| 特性 | 源极退化 CS-LNA | CG LNA |
|---|---|---|
| 噪声系数 | 低(可 < 1 dB) | 较高(通常 2-3 dB) |
| 匹配方式 | 电感谐振匹配(窄带) | (宽带) |
| 带宽 | 窄带(谐振匹配) | 宽带 |
| g_m 控制 | 可独立优化噪声 | 被匹配条件固定 |
| 面积 | 大(需两个电感) | 小(无需电感,或仅需输出电感) |
CG-LNA 的噪声改进——互补 CG(g_m boosting):
- 利用负反馈将 CG 管的跨导提升
- 在匹配条件下降低噪声系数
11.7.3 并联-并联反馈 LNA
结构(Gray Fig. 11.24):
- 共源/共射级 + 从漏极/集电极到栅极/基极的反馈电阻 R_f
输入阻抗:
匹配条件:选择 R_f 使
噪声特性(近似):
优点:
- 宽带匹配(电阻反馈,无谐振)
- 面积小(无电感)
- 适合宽带应用
缺点:
- 噪声通常比 CS-LNA 差
- 增益受反馈限制
- 反馈电阻贡献热噪声
LNA 拓扑对比总结
| 拓扑 | NF | 带宽 | 面积 | 功耗 | 线性度 | 适用频率 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 源极退化 Cascode LNA | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐(窄带) | ⭐(两个电感) | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐ | 1-10 GHz |
| CG LNA | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐(宽带) | ⭐⭐⭐(小) | ⭐⭐ | ⭐⭐ | DC-10 GHz |
| 并联反馈 LNA | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐(宽带) | ⭐⭐⭐(无电感) | ⭐⭐ | ⭐⭐ | DC-5 GHz |
RF 放大器的非线性与 IP3
1dB 压缩点(P1dB)
当输出功率偏离线性增益 1 dB 时的输入/输出功率。
三阶交调点(IP3)
双音测试中,基波和三阶交调分量功率相等时的截点:
其中 是传输函数 的系数。
NF 和 IP3 的折衷:在固定功耗下,NF 和 IP3 的变化方向相反(“增益之战”)。
设计示例
源极退化 Cascode LNA 设计
规格:f_0 = 2.4 GHz, NF < 2 dB, S11 < -10 dB, 增益 > 15 dB
设计步骤:
- 选择 L = 0.18 μm CMOS, V_DD = 1.8 V
- I_D = 5 mA → g_m ≈ 50 mS, C_gs ≈ 0.3 pF
- ω_T = g_m/C_gs ≈ 2π × 26 GHz(足够 > 2.4 GHz)
- L_s = R_s/ω_T = 50/(2π × 26e9) ≈ 0.3 nH(寄生电感级别,可能需要额外电容辅助)
- L_g = 1/(ω_0²C_gs) - L_s ≈ 1/((2π×2.4e9)²×0.3e-12) - 0.3e-9 ≈ 11.7 nH
- 输出:LC 负载在 2.4 GHz 处谐振,提供增益
- 仿真验证:S11, NF, 增益, IP3
参考文献
- P. R. Gray, P. J. Hurst, S. H. Lewis, R. G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5th ed., Wiley, 2009, §11.6-§11.7.
- B. Razavi, RF Microelectronics, 2nd ed., Pearson, 2012, Ch.5.
- T. H. Lee, The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits, 2nd ed., Cambridge, 2004, Ch.13-14.
- D. K. Shaeffer, T. H. Lee, “A 1.5-V, 1.5-GHz CMOS Low Noise Amplifier,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 32, pp. 745-759, May 1997. (源极退化 Cascode LNA 经典论文)
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