一、前言：
隨著RF通信系統市場的增長，越來越多的RF器件用MOS工藝實現，包括電感和電容。就電感而言，目前的多數研究集中於片上無源電感的實現和建模。 無源電感大多用來獲得較好的匹配和功率增益[1]，儘管通過使用立體電感或是微機電工藝可以克服片上無源電感的低Q等缺點，卻無法解決其佔用面積過大的缺點。在低噪聲放大器中，一個1～2nH的電感所佔用的面積可能超過其餘全部有源器件所佔面積之和。而且，一個良好片上無源電感的實現常常要求一些特殊工藝，難以與主流的數字MOS工藝兼容。因此，在噪聲要求並非十分嚴格而對面積和價格更為關注的情況下，採用有源電感是一種不錯的選擇。
在片上實現有源電感的研究已經進行多年，有源電感主要用於帶通濾波器和低噪聲放大器部分。但因為噪聲、電感Q值低以及功耗等問題，有源電感在低噪聲放大器中的應用亦不多見，主要還處於研究階段。Jhy-Neng Yang等在2001年提出了一種改進的高Q值有源電感[2]，解決了Q值及功耗問題。然而卻有S11與S21峰值重疊的問題。在Jhy-Neng Yang等人於2003年提出的高Q值有源電感為負載的寬帶LNA中[3]，儘管解決了S11與S21峰值重疊的問題，卻大大增加了噪聲（達到8dB）。本文基於以上兩文的研究，對有源電感作了改進，設計了一個基於CMOS工藝的以有源電感為負載的寬帶低噪聲放大器，在滿足功耗及增益指標的情況下解決了S11與S21峰值重疊的問題並得到較好的噪聲指標（不超過5dB）。
文章第二部分介紹有源電感的設計原理，第三部分介紹以有源電感為負載的寬帶低噪聲放大器的設計，最後給出所設計電路與已有的電路的性能參數比較。
二、有源電感原理
圖1：有源電感原理圖 圖2：改善增益的有源電感
目前對CMOS有源電感的等效模型的研究已較多。典型的簡單的級聯CMOS有源電感如圖1所示。此電路利用了器件的寄生參數。分析電路的等效小信號模型，可得[4]：
為了提高電路的增益並增加帶寬，考慮在M1上級聯一個MOS管。得到圖2。此外亦有另外增加一個M4以增加Q值的調節度的方法，如圖3。但是，不論使用何種結構，其電感等效電路都等效於圖4。
其中：
寄生電阻主要由M2決定。
三、以有源電感為負載的低噪聲放大器的設計
為了得到性能指標較好的以有源電感為負載的LNA，本文對Jhy-Neng Yang等人提出的有源電感形式進行了改進。文獻[2]以差分形式的電感取得更好的增益，而文獻[3]是以單端電感形式實現了LNA的設計。為在較好的噪聲係數下分離S11與S21的峰值，本文提出了不對稱的雙端有源電感形式。
LNA的可選構架包括共柵結構和共源結構。由於這裡要設計的是寬帶LNA，並使其面積儘可能小，因此我們依然選擇了共柵結構。
一般LNA的輸入源（如微帶天線，傳輸線）的輸出阻抗為50歐。為獲得最大功率且不在電路中產生反射，即得到最小S11及VSWR，LNA的輸入阻抗應為50歐。對於共柵放大器：源端輸入阻抗為1/gm。那麼只要選擇適當的器件尺寸和偏置電流，共柵放大器就可獲得50歐源端輸入阻抗。
圖5：設計的有源電感為負載的寬帶LNA
以有源電感為負載的LNA如圖5所示。對於圖5電路，MINPUT完成輸入功能。M1～M5、MININ和MTL實現有源電感。M3和M4主要影響增益，而其中M5反饋系統的增加可以降低電感的寄生電阻值，有益於輸入輸出的50歐姆匹配，而M1～M4則有利於對電感各項參數，如Q值和帶寬等進行調節，但同時更對輸入輸出的匹配產生影響，適當調節其柵寬，可以改善S參數並分離S21和S11的峰值。MS2和MSF作為輸出緩衝，完成輸出阻抗變換。RL為50歐負載。而MS1與MS2都與輸入端相連，對輸入阻抗產生影響。其中MS1作為輸入管MINPUT的偏置，對功耗影響很大。設計時必須在功耗及S參數值間取得折中。
四、仿真結果
採用0.35um工藝對電路進行仿真。得出仿真結果如圖6所示。可以看出，本文提出的設計成功的分離了S11與S21的峰值點。S11的峰值基本被抑制，波形與一般的共源結構LNA的S11的波形相似，且在整個通帶內都滿足S11-10dB的要求。而S22儘管在2GHz處出現峰值，卻在依然整個通帶內保持在-13dB以下。與此同時，LNA的噪聲係數在3dB帶寬內保持在3.6至4.9dB，大大優於文獻[3]中的8dB值，基本滿足寬帶LNA的要求。而電路的功耗亦保持在20mW，與文獻[3]中的功耗相當。將仿真結果與國際上一些已完成項目做比較，如表1。
圖6：寬帶LNA仿真結果
表1：LNA性能參數比較
NF/dB | S11/dB | S21/dB | 有源電感 | 3dB帶寬/GHz | 工藝/um | 功耗/mW | |
本文 | 3.6~4.9 | -12~-17 | 10 | 是 | 1.1 | 0.35 | 20 |
文獻[5] | 2.1 | -4~-5 | 15~12 | 否 | 1 | 0.18 | 23.2 |
文獻[6] | 4.8 | -16 | 8 | 否 | 0.8 | 0.24 | 10 |
文獻[7] | 3 | -6~-12 | 8-4 | 否 | 1 | 0.35 | 20 |
文獻[8] | 3.9~4.3 | -15.11~-18 | 16.4~16.98 | 否 | 1.7 | 0.18 | 21 |
文獻[9] | 3.9 | -7~-16 | 28 | 否 | 1.4 | 0.13 | 3.9 |
文獻[10] | 2 | 19.2 | 是 | 窄帶 | 0.3 | 40.8 | |
文獻[3] | 8 | -17 | 20 | 是 | 1 | 0.25 | 18 |
五、結論：
本文設計了一種以有源電感為負載的寬帶低噪聲放大器，採用有源電感代替片上螺旋電感，大大縮小了晶片面積。在權衡各項指標的情況下得到較為理想的性能參數，並得到HSPICE仿真結果論證。S21達到10dB，電壓增益為17dB。在3dB帶寬內，S11在-12~-17之間，NF在3.6至4.9之間。通帶的反向隔離大於40dB，S21亦在－14dB以下。
【參考文獻】
[1] 陳偉，劉和光．基於Matlab的RF系統阻抗匹配設計［J］．微計算機信息，2006，4-2：116-117。
[2] J.N. Yang, Y. Ch. Cheng, T. Y. Hsu et. Al, 「A 1.75GHz Inductor-less CMOS Low Noise Amplifier With High-Q Active Inductor Load」, Circuits and Systems,2001. Vol. 2, Page(s):816-819.
[3] J.N. Yang, Y.Ch Cheng; Chen-Yi Lee; 「A design of CMOS broadBand amplifier with high-Q active inductor」, System-on-Chip for Real-Time Applications, 2003. Proceedings. The 3rd IEEE International Workshop on 30 June-2 July 2003 Page(s):86 - 89
[4] A. Thanachayanont and A. Payne, 「VHF CMOS integrated active inductor,」 IEEE Electron. Lett., 1996.vol. 32, (11),pp. 999-1000.
[5] M. Madihian, H. Fujii. H. Yoshida, H. Suzuki, and T. Yamazaki, 「A 1~10GHz 0.18 um CMOS Chipset for Multi-Mode Wireless Applications,」 IEEE Microwave Symposium Digest, 2001.vol. 3, pp. 1865-1868.
[6] D. Mukhejee, J. Bhattacharjee, S. Chakrahony, and J.Laskar, 「A 5-6GHz Fully-Integrated CMOS LNA for a Dual-Band WLAN Receiver,」 IEEE Radio and Wireless Conference,2002. pp. 213-215.
[7] T. P. Liu, 「5GHz CMOS Radio Transceiver Front-End Chipset,」 IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2000.vol. 35, (12),pp.1927-1933.
[8] Vishwakarma, S.; Sungyong Jung; Youngjoong Joo; 「Ultra wideband CMOS low noise amplifier with active input matching」, Ultra Wideband Systems, 2004. Joint with Conference on Ultrawideband Systems and Technologies. Joint UWBST IWUWBS. 2004 International Workshop on 18-21 May 2004 Page(s):415 - 419
[9] Gaubert, J.; Egels, M.; Pannier, P.; Bourdel, S.; 「Design method for broadBand CMOS RF LNA」, Electronics Letters, 2005.Vol.41,(7),Page(s):382 C 384.
[10] Pascht, A.; Fischer, J.; Berroth, M.; 「A CMOS low noise amplifier at 2.4 GHz with active inductor load」, Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems, 2001. Digest of Papers. 2001 Topical Meeting on 12-14 Sept. 2001 Page(s):1 C 5.