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自偏置C波段单片集成低噪声放大器设计的中期报告
引言
在现代通信系统中，低噪声放大器（LNA）扮演着非常重要的角色。LNA的主要功能是将信号的弱微妙之处转换成电压信号，并将其放大到足以使后续的放大器、混频器或其他电路有效处理的电压水平。由于收到的信号很弱，因此在放大的过程中，LNA要抑制噪声，并尽量减少器件的损耗。此外，LNA还要具有线性特性，以便于处理来自各种来源的多路信号。
本文旨在设计一种自偏置C波段LNA，该LNA将被集成进无线通信系统的芯片中。
设计原理
LNA的输入电阻应该尽可能高，因为它能确保LNA对信号的损耗最小，并且在输入电容较低的情况下，LNA可以在高频率下正常工作。在本设计中，选择使用场效应管作为放大器的核心器件。场效应管的输入阻抗高，所以它非常适合作为LNA的输入放大器。此外，由于场效应管具有高的增益、低噪声指数和较低的价格，因此在LNA器件中广泛使用。
LNA的输出阻抗应该尽可能低，以确保器件对后面的电路负载影响最小。在本设计中，集成反向电感器件来实现输出阻抗匹配。
在LNA中，自偏置电路被广泛应用于场效应管放大器中，因为这种电路能够减少器件的加工工艺和成本，并且显著降低温度对运算点的影响。本设计中使用了自偏置电路。
设计过程
在本设计中，使用TSMC0.18umCMOS工艺。
输入电路
输入电路由一个共源极场效应管组成。选择尺寸和工作电流时，需要平衡增益、电流噪声和电源功耗。通过仿真和调整，选择了W/L=800um/0.18um的N沟道MOSFET，运行电流为4mA。此外，还添加了输入匹配电路，以适应50欧姆的输入阻抗。
自偏置电路
自偏置单元由引入一个电阻的电流镜电路组成，该电路的电流通过一个反向电感器份，以得到所需的偏置电压。通过电路仿真，选择了电阻值和反向电感值，以获得所需的电压值和保证较大的带宽。
输出电路
输出电路由一个共漏极场效应管组成，其输出阻抗可以通过调整阈值电压来控制。根据电路仿真结果，选择了W/L=3000um/0.18um的P沟道MOSFET，并实现了输出匹配电路，以适应50欧姆的负载阻抗。
结果分析
在设计过程中，进行了多次仿真和调整，以确保LNA满足设计要求。根据仿真结果，本设计中的LNA具有10dB的增益，输入和输出都是50欧姆的阻抗匹配，噪声系数为2.1dB，工作频率为4GHz。此外，LNA的功耗仅为6.45mW，所用晶片面积仅为0.2x0.2mm2。
结论
本文报告了一种自偏置C波段LNA的设计和仿真。通过使用场效应管、自偏置电路和反向电感匹配，LNA具有10dB的增益、2.1dB的噪声系数和50欧姆的输入/输出阻抗匹配。此外，LNA的功耗仅为6.45mW，并且可在小型芯片中实现。