基于CMOS有源电感实现宽带低噪声放大器的设计

一、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-Neng Yang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S21峰值重叠的问题。在Jhy-Neng Yang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S21峰值重叠的问题，却大大增加了噪声（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S21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。

二、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