低雜訊放大器之設計

^{1 1}

設，就是在我們所要的頻段遠於負載造成的極點(也就是 ¹

L gd

ω= R C )，

當負載阻抗太大時，或電晶體之寄生電容C_gd大到不可忽略的時候，

所造成的迴授會影嚮到輸入阻抗。這時候的阻抗的公式就不可以近似 一樣。

由小訊號等效電路圖，可以推出雜訊指數如下所示:

( ) ( ) ( )

2

2 2

2

2 2

1

1 1 1

1 4

1 1

m ds

gm

gen gm

A

g i

F Z

A kt

Z Z β

β β

 −  

Θ +  

Θ     

≈ + ⋅ + + −   ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅

 

 

(2.33)

其中Θ = +r_g r_pri+β²⋅r_sec。變壓器的阻抗貢獻的雜訊指和源阻抗貢獻的來 比較來看，其變壓器的阻抗所貢獻的會受到迴受因子β所影響。當接 到一個 50 歐姆的源阻抗時，增加迴受因子的值可以有效地減少電晶 體通道雜訊的影響。由上式也可發現，增加電晶體的大小來增加增益 對雜訊指數也有強烈影響。且相較於電阻式負迴受來看，電抗式的負 迴受在增加增益的同時較不會影響到頻 寛。

RFin

VGG

Iout

Is

圖(2.19) 覆蓋型變壓器示意圖

上圖畫出其輸入端變壓器之大概之剖面圖，圖形上以四方形來表 示，實際佈局是以八角形為主。變壓器主要是用層與層的金屬線，進 行磁耦合，這樣子的耦合方式其耦合量較大，且第二層金屬線對第一 層金屬線有屏蔽之效果，其對製程上基板上的損耗不會太大。其變壓 器接電晶閘級端其長度較長，因此用.18 製程上的金屬 6，其阻值較 小；接電晶體源級端則以金屬 5 來實現。實際圖形如圖(2.19)所示:

圖(2.20) (a)覆蓋型變壓器實作圖(b)對稱型變壓器

上圖是這次電路實作中所使用的兩種變壓器，也是較為常見 的變壓器。第一種是覆蓋型變壓器，其特點在於藕合高，且其可 以使用較少的面積去實現。其缺點有二，第一在於其兩層金屬所 造成的電容，會使其自振頻不高，不適合操作在高頻。其二這種 變壓器相當的不對稱，假如要使用這種變壓器當做單端輸入轉差 動輸出的變壓器時，就比較不適合了。而對稱型變壓器其優點在 於其相當對稱，兩邊的感值可以拉的相當接近，自振頻也比第一 種高。但相較於覆蓋型變壓器來說的話，其面積會比較大，藕合 度也沒有覆蓋型來得佳。兩種變壓器都其各自的優缺點，故可以 依其電路所需選擇適當的變壓器。

VDD VDD

Mixer Core

M1 M2

M3 M4

T1 L1

T2

C1

R1

M5

Vtune VDD

圖(2.21) 低雜訊放大器架構圖

整體的低雜訊放大器架構圖如上所示，主要是用兩級 LNA 使其

有足夠的^Gm來壓掉後級基頻的雜訊，讓整體接收機的雜訊指數讓 LNA 決定。兩級 LNA 主要架構都是共源級放大器串接共閘級放大 器，串接共閘級放大器使得共源級看進去是個小阻抗，降低共源級米 勒效應，增加頻寬。在輸入阜的部份，因比較需較好耦合度故使用覆 蓋型變壓器來輸入阻抗匹配。其負載則使用電感電容並聯來達到濾波 的效果，使得 LNA 造成之非線性可以濾掉。因其第二級需要另給偏 壓，故在一、二級中間利用電容電阻架構一高通濾波器的型式，使得 第二級共源級的電晶體可以偏壓。第二級的輸出則是使用對稱型變壓 器使得訊號可以單端轉較平衡差動的訊號。

LNA 的電流分配大約為 2.5mA，第一級 LNA 的電流分配 2mA，

可以壓掉第二級的雜訊。且由於是負迴授的關係，會稍微 犠牲掉增益 來達到輸入阜的阻抗匹配，故第一級 LNA 給較大的電流。電晶體的 length 都選在^{0.18 mµ} ，為了確有最高的截止頻率且有最小的^NFmin。在 故在 M1 的 width 選擇在^{4 mµ} ，使其有較大 gm 的且較好的 NFmin。

選擇最多的 finger 數 64 是為了可以減少其閘級阻抗 RG，使得其貢獻 雜訊最低。接下來調整其 Vgs，使得其電流在 2mA 左右，大略估算 其 ， 依 其 共 振 頻 率 大 概 算 出 其 變 壓 器 的 L11 值 2.05nH 。 再 依

(¹ )^{1 50}

in

m

Z ≈ β β g = Ω

+ • 計算出其所需要的β，達到輸入阻抗匹配。

L

C R

L ^p C R ^p

(a) (b)

圖(2.22) 考慮損耗電感之 LC tank 示意圖(b)等效 LC tank 示意圖

M2 與 M4 的 width 越大的話，看進去的阻抗越小，但其寄生電 容會造成跟其輸入阻抗的分流，故需選取適當的 width。在第一級與 第二級的中間需接上一高通 R-C 的電路，一方面是為了偏壓，而另 一方面也可濾掉其低頻的非線項，對小訊號來說是個損耗，故其值

1 6 , 1 0.9

R = kΩ C = pF。負載的 tank 方面，用 LC 並聯的架構如圖所示。

因電感有內阻 Rs，使得在共振的時候，其阻抗不會無限大，如圖會 有一 Rp。其示子可以表示為: _P

S

R L

=CR ，故在共振的時候，會選擇電 感感值較大，容值較小的情況，其整體增益較大。在第二級的多加了 M5 主要是為了用來調整前級 LNA 的增益，以便可以調整體接收機 的訊號強度。

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