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 R s R_s Rs，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 R L R_L RL，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：
N F = d V o u t 2 ‾ A 2 1 4 k T R s < 2 d B = 1.585 NF=\frac{\overline{dV_{out}^2}}{A^2 }\frac{1}{4kTR_s}<2dB=1.585 NF=A2dVout24kTRs1<2dB=1.585
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 − 10 d B m = 1 m W × 1 0 − 10 / 10 = 0.1 m W -10dBm=1mW \times 10^{-10/10}=0.1mW −10dBm=1mW×10−10/10=0.1mW。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：
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 L s , L g L_s,L_g Ls,Lg和栅电容 C g s C_{gs} Cgs等无噪声器件，大大减小了噪声系数：
- C c C_c Cc为隔直电容， L g L_g Lg和 L s L_s Ls用于匹配输入阻抗 R s = 50 Ω R_s=50\Omega Rs=50Ω。
- L d , C L , R o L_d,C_L,R_o Ld,CL,Ro用于匹配输出阻抗 R L = 50 Ω R_L=50\Omega RL=50Ω。 R o R_o Ro约等于1k，可适当减小来增大线性度 I I P 3 IIP_3 IIP3。
- M 2 M_2 M2是cascode管能够隔离输入输出，增大反向隔离的程度。 M 1 M_1 M1是放大管，其宽度对lna的性能影响很大。
- M 3 M_3 M3和 R f , R b R_f,R_b Rf,Rb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： L s , L g , L d , C L , R o , f i n , m u l L_s,L_g,L_d,C_L,R_o,fin,mul Ls,Lg,Ld,CL,Ro,fin,mul，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 L s , L g , L d , C L L_s,L_g,L_d,C_L Ls,Lg,Ld,CL。如果性能仍有差距，那么可以微调 R o R_o Ro或mul(电流)，再重新匹配输入输出阻抗。
1、 f i n , m u l fin,mul fin,mul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。
上图是fin=6，mul=12时，扫描M1栅极电压得到的 G m a x G_{max} Gmax和静态电流曲线。可以看出，当偏置电压为1.2V时，增益 G m a x = 20 d B , I d = 6.3 m A G_{max}=20dB,I_d=6.3mA Gmax=20dB,Id=6.3mA，满足设计要求。
2、 L s , L g L_s,L_g Ls,Lg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。
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。
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、 L d , C L L_d,C_L Ld,CL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。
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。
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：
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。
五、仿真结果
1、DC直流工作点
总电流为 7.3 m A < 10 m A 7.3mA<10mA 7.3mA<10mA，放大管偏置电压 V g = 1.20 V V_g=1.20V Vg=1.20V，饱和电压 V d s a t = 0.28 V V_{dsat}=0.28V Vdsat=0.28V。
最终的各性能曲线如下：
| 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。
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