實驗一

Low Noise Amplifier Design

目的

設計出單級 LNA 電路。

原理

在射頻前端接收器部份，通常利用低雜訊放大器放大接收訊號並

且減少雜訊。由於系統總雜訊決定於第一級放大器，所以必須提供足

夠的增益以降低後幾級 component 所造成的雜訊問題。在此次 LNA

部分，我們將操作頻率設在 5.2GHz，並且提供 18.9 dB 的 available

power gain 以及 2.15 dB 的 noise figure。考慮現今技術以及價格上的

問題，我們採用 CIC 所提供的 TSMC 0.18um CMOS 製程。

LNA 最重要的兩個特性在於其 high gain 以及 low noise，所以我

們在選擇 device 大小時必須考慮到這兩個特性。在經過挑選之後，我

們選擇 gate length 為 0.18um、width 為 6um x 45 fingers 的 MOSFET，

同時，DC bias 為 dd gs dsV 1.8 volts, V 0.8 volts, I 22mA= = = 。因為 LNA

是小訊號元件，其雜訊只和輸入端的 sΓ 有關，也就是說，如果我們希

望 noise figure 小，那麼 input mating 就必須要做好。然而，如果只考

慮到獲得最低的 noise，會造成我們無法得到理想的 available gain，

因此必須在 noise 與 gain 兩者之間做選擇。此外，本電路利用 source

feedback 使得 input return loss ( )11S 較佳，意即得到較好之阻抗匹配。

電路圖

設計流程

利用 ADS 產生 Schematic 檔案

使用 ADS 模擬電路，得到結果

使用 Cadence Tool 進行電路佈局

實現電路

1ggV

ddV

inRF

out

gL

sL 2ggV

ADS Design Circuit:

模擬結果

2 4 6 80 10

-30

-20

-10

-40

0

freq, GHz

dB(S

(1,1

))

m1

dB(S

(2,2

))

m2

m1freq=dB(S(1,1))=-22.193

5.200GHzm2freq=dB(S(2,2))=-31.881

5.200GHz

2 4 6 80 10

5

10

15

0

20

freq, GHz

dB(S

(2,1

))

m3

m3freq=dB(S(2,1))=18.887

5.200GHz

2 4 6 80 10

2

4

6

0

8

freq, GHz

nf(2

)

m4

m4freq=nf(2)=2.150

5.200GHz

2 4 6 80 10

5

10

15

20

0

25

freq, GHz

Mu1

m7

MuP

rime1

m7indep(m7)=plot_vs(Mu1, freq)=1.505

1.000E8

規格表

Simulation result

Power supply 1.8 volts

Power consumption 39.78 mW

Center frequency 5.2 GHz

S11 -22.19 dB

S21 18.89 dB

S22 -31.88 dB

NF 2.15 dB

Low Noise Amplifier

Basic Concept

通常最小Noise Figure和最大增益不能兼顧，因此要trade offNoise Figure只與source impedance有關，input匹配到Gopt附近，output做共軛匹配

因此使用Ga Circle表output為共軛匹配時的增益；GMS表最佳source匹配點(增益最大)，可看出最小NF與最大增益離多遠

22

212 211

1 11 1

s

s out

GA SS

− Γ=

− Γ − Γ

Noise CircleAvailable Power Gain CircleStability Circle

soptss

optsn

opts

opts

s

n

opt

opt

s

s

s

nos

s

n

s

opt

opt

opto

s

ss

o

nnn

oooossss

oss

n

grF

grF

grFyy

grF

F

F

optimaloyZRrr

jbgyFyjbgyy

FyygrFF

11))1Re(21(

4)1)(1(

)(2

11

11F

?

) optimal(

11

y11y

)(

22

2

min

2

min

2

min2

min

min

0

min

min2

min

˙˙

˙

如下：它應該是一個圓，推導的軌跡為何的值，對一個

又稱為最佳的的即為造成其中﹔因為

的意思表註腳上式阻稱之為正規化的雜訊電

，時電源的導納為在，為正規化的電源導納，而

線性值非分貝值低雜訊指數稱為此雙埠放大器的最其中

指數可以表示成下式：一個二埠放大器其雜訊

低雜訊放大器的設計：

Γ+Γ+Γ+

Γ−Γ+=

Γ+Γ+Γ−Γ−

+=

Γ+Γ−

−Γ+Γ−+=−+=

Γ

ΓΓΓΓ

Γ+Γ−

=Γ+Γ−=

=

+=+=

−+=

Noise Circle

( )( )

*22111

1s*2211ss

*22s11

s*22

2s

222s11

2s11

2s

2s22

2s11

2s

2

S1S2

s11

2s

a

a2

212out

221

s11

2s

a

a

sa

sa

s

SSC

)CRe()SS(Re)SRe()SRe(

)SRe(2S)SRe(2S1

1

SS1

1

1S1

1g

gS1

1SS1

1G

GG

G

s11

s22

⋅−=

=−=+

−+−−+

−=

−−−

−=

−−

−=

=−−

−=

−−

∆Γ∆Γ∆ΓΓ

∆Γ∆ΓΓΓΓ

∆ΓΓΓ

Γ

Γ

ΓΓΓ

ΓΓ

Γ

Γ∆Γ

其中

其中分母：

下：

們推導如軌跡正好是一個圓，我分有幫助。等低雜訊放大器的設計十

平面上，則對圓繪於的軌跡和等雜訊指數的的函數，我們若等將等

也是中可獲功率增益功率增益的表示式，其而前面我們推導的各種

有關指數只和輸入端的可以發現放大器的雜訊由前面分析的結果我們

Available Power Gain Circle

( )

:matchingport 0Chart

)region (1

1

s

in

網路時的狀況。如下圖

不加之點，亦即原點即為的原點，例如上左圖之

判斷之法則即是用或不穩定區的區域即為非穩定區大於

的區域而這大於或區是繪出後我們得判斷那一輸入端及輸出端穩定圓

inputSmithunstable

out

=ΓΓ

ΓΓ

輸入端匹配網路

Ω50 Ω50

0=ΓS0=Γs

≡

。即可判定何區是穩定區或小於大於

是路的，故只要看原先二埠網參數的定義而來由而此時之

11S)S(S 2222out =Γ

sr

sC

sC 1OUT =Γ

平面複數 sΓ

1IN =Γ

LrLC

LC

平面複數 LΓ

Stability Circle

Design Flow

導入電晶體S參數及雜訊參數

在定頻率下分析模擬，在Polar Plot下呼叫GMS、GOPT及S22檢查FMIN與GMAXNoise Circle與Gain Circle，決定match點設計input match and output match

Schematic

1ggV

ddV

inRF

out

gL

sL2ggV

2 4 6 80 10

5

10

15

0

20

freq, GHz

dB(S

(2,1

))

m3

m3freq=dB(S(2,1))=18.887

5.200GHz

2 4 6 80 10

-30

-20

-10

-40

0

freq, GHz

dB(S

(1,1

))

m1

dB(S

(2,2

))

m2

m1freq=dB(S(1,1))=-22.193

5.200GHzm2freq=dB(S(2,2))=-31.881

5.200GHz

Simulation Results

(1) Input/Output Return Loss (2) S21

2 4 6 80 10

2

4

6

0

8

freq, GHz

nf(2

)

m4

m4freq=nf(2)=2.150

5.200GHz

2 4 6 80 10

5

10

15

20

0

25

freq, GHz

Mu1

m7M

uPrim

e1

m7indep(m7)=plot_vs(Mu1, freq)=1.505

1.000E8

Simulation Results (cont’d)

(3) Noise Figure (4) Stability

Specification

2.15 dBNF

-31.88 dBS22

18.89 dBS21

-22.19 dBS11

5.2 GHzCenter frequency

39.78 mWPower consumption

1.8 VPower supply

Simulation result

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