低噪聲放大器（LNA）在多種接收機(jī)結(jié)構(gòu)中都作為接收機(jī)第一級(jí)有源器件，承擔(dān)接收機(jī)的低噪聲下“放大”功能，在抑制噪聲干擾的同時(shí)提高了輸入信號(hào)的功率，并將信號(hào)傳遞給下一級(jí)的混頻器。

LNA的輸入端直接與濾波器或天線相連，因此要和前級(jí)在一定頻帶內(nèi)形成良好的阻抗匹配，以降低信號(hào)反射從而提高信號(hào)傳輸，一般端口的阻抗設(shè)置為50歐姆。

目前寬帶匹配技術(shù)主要有負(fù)反饋、濾波結(jié)構(gòu)、分布式、共柵極結(jié)構(gòu)等。本文將粗略介紹這幾類(lèi)寬帶匹配技術(shù)，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，以便為之后的電路設(shè)計(jì)提供部分參考。

負(fù)反饋

在共源極放大器的柵漏極間設(shè)計(jì)反饋電阻，利用負(fù)反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)輸入阻抗的寬帶匹配。其能在很寬的頻帶實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的增益和輸入匹配。因此該技術(shù)被廣泛用于寬帶LNA，在超寬帶（UWB）等LNA有不少的設(shè)計(jì)。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖1 典型的電阻并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)

忽略了寄生電阻和柵漏電容的影響，其輸入阻抗

電阻負(fù)反饋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需電感器件，芯片的占片面積小，具有低成本優(yōu)勢(shì)，因此也受到了廣泛研究和應(yīng)用。設(shè)定合適的反饋電阻Rf、漏極負(fù)載Rd和輸入端的跨導(dǎo)，便能實(shí)現(xiàn)50Ω寬帶匹配。但是此類(lèi)結(jié)構(gòu)也有自己缺點(diǎn)，第一，匹配帶寬取決于反饋電阻的大小，為了獲得寬帶，則勢(shì)必減小反饋電阻，但反饋電阻減小增益也將降低，則對(duì)后續(xù)電路的噪聲抑制度降低。第二，該結(jié)構(gòu)中形成了反饋環(huán)路，一定程度惡化了穩(wěn)定性。第三，反饋電阻引入的熱噪聲可能會(huì)超過(guò)負(fù)反饋對(duì)原噪聲的抑制效果，LNA電路噪聲性能由此變差。

濾波結(jié)構(gòu)

濾波網(wǎng)絡(luò)匹配則是利用濾波器原理實(shí)現(xiàn)的可控寬頻帶匹配。下圖2顯示了一款利用濾波器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)寬帶輸入匹配的LNA

圖2 利用濾波網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)寬帶匹配的共源極放大器結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)可視作共源極放大器前置了一個(gè)濾波器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置前置的濾波網(wǎng)絡(luò)使其與共源極放大器輸入端的虛部網(wǎng)絡(luò)正好構(gòu)成切比雪夫帶通濾波器，在所需要的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)總體虛部為零。輸入阻抗的實(shí)部則由共源極放大器提供。根據(jù)要求的帶寬，可設(shè)置n階濾波網(wǎng)絡(luò)，理論上濾波網(wǎng)絡(luò)的階數(shù)越高，能實(shí)現(xiàn)的匹配帶寬越寬。

但是濾波網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的寬帶匹配有著巨大劣勢(shì)。首先，多階濾波勢(shì)必要用到多個(gè)電感電容，因此芯片面積將變得很大，成本高昂也不利于小型化。其次，若處在較高頻率，CMOS中電感的Q值往往較低，會(huì)產(chǎn)生較大的寄生效應(yīng)。

分布式

分布式放大結(jié)構(gòu)在寬帶匹配設(shè)計(jì)中也有著廣泛的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)很寬的輸入匹配和增益。早先的分布式放大結(jié)構(gòu)中，在多個(gè)級(jí)聯(lián)CS級(jí)放大器間采用傳輸線形式形成看過(guò)去的輸入特性阻抗為50歐姆。隨著CMOS技術(shù)的不斷發(fā)展，如今大多數(shù)已經(jīng)利用電感和CS的MOS管中寄生電容形成偽傳輸線，從而達(dá)到寬帶內(nèi)的匹配。其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示

圖3 采用分布式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寬帶輸入匹配的LNA

該結(jié)構(gòu)含有多個(gè)CS級(jí)聯(lián)，在實(shí)現(xiàn)寬帶匹配時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)多級(jí)形成的高增益帶寬。與濾波網(wǎng)絡(luò)相同，從理論上，隨著級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)增加，其輸入帶寬和增益帶寬能持續(xù)增加下去。但是與此相同的是，分布式放大結(jié)構(gòu)依然要使用大量的電感，占用了大量芯片面積，成本高昂，其次CMOS工藝下電感的低Q值使之在高頻段引入大量噪聲，以及電感寄生效應(yīng)產(chǎn)生的電阻所帶來(lái)的插損，限制了其增益。除此之外，分布式放大結(jié)構(gòu)的多個(gè)MOS管處于飽和區(qū)，使得該結(jié)構(gòu)的LNA功耗往往非常大。雖然其帶寬和增益可觀，但往往不適用于低成本，高頻率，便攜式的應(yīng)用中。

共柵極結(jié)構(gòu)

共柵極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的寬帶輸入匹配。相比于在輸入端引入柵漏電容而降低帶寬的共源極結(jié)構(gòu)，共柵極甚至不需要附加電感電阻器件就能實(shí)現(xiàn)匹配。在多種匹配技術(shù)中易于實(shí)現(xiàn)且效果良好，因此它被廣泛的應(yīng)用。下圖4所示便是典型的共柵極結(jié)構(gòu)

圖4 典型的共柵極結(jié)構(gòu)

輸入信號(hào)從MOS管源極流入，則從輸入端看過(guò)去的阻抗為

由上式可知，僅通過(guò)調(diào)節(jié)MOS管尺寸或者偏置電壓，令跨導(dǎo)倒數(shù)為50歐姆，而MOS管的跨導(dǎo)隨頻率變化較小，因此便能實(shí)現(xiàn)寬帶匹配[6]。該結(jié)構(gòu)芯片面積相較于前幾種技術(shù)大大縮小，也易于實(shí)現(xiàn)。但該結(jié)構(gòu)也有缺陷，共柵極的噪聲系數(shù)要比共源極大，此外為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，其跨導(dǎo)被限定在20mS，因此單個(gè)共柵極的增益做不到很大。

小結(jié)

在設(shè)計(jì)LNA的匹配電路時(shí)，首先要依據(jù)整個(gè)放大電路所關(guān)注的指標(biāo)（諸如面積、噪聲、帶寬等）來(lái)判斷取舍所采用的匹配技術(shù)。比如要求占片面積小，則分布式或?yàn)V波結(jié)構(gòu)自然要排除在外。在要求較低噪聲時(shí)，共柵結(jié)構(gòu)便不具有優(yōu)勢(shì)。之后根據(jù)要達(dá)到的帶寬，對(duì)擬用的輸入網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)或者階數(shù)不斷調(diào)整，從而達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。