摘要：基于TSMC 0.18 μm RF CMOS工艺设计一款低噪声放大器（low-noise amplifier，LNA），用于接收GPS L1频段和BDS B1频段的接收机中。该LNA采用共源共栅结构，有效的提升了增益，改善了系统的噪声性能。仿真结果表明，在1.8 V电源电压下,AC增益为22.96 dB,噪声系数（noise figure, NF）为1.04dB,输入1 dB压缩点为-6.43 dBm,三阶交调点为-6.62 dBm，输入回波损耗为-13.36 dB,反向隔离度为-43.26 dB，功耗仅为3.78 mW,能够在低压低功耗条件下工作。
关键词：低噪声放大器；射频前端；低功耗；CMOS工艺
0 引言
近年来，随着现代移动定位服务的快速发展对全球导航定位系统接收机提出了诸如高集成度，低成本，低功耗等更高的要求。目前的射频集成电路工艺主要有双极（Bipolar）,GaAS以及CMOS工艺[1]。CMOS器件具有噪声小、功耗低、线性度好等优点而被广泛应用在射频接收机前端中。因为超外差接收机具有接收灵敏度高、接收动态范围大和受I/Q不平衡度影响小等优点而被广泛采用。而低噪声放大器（LNA）为接收机射频前端的重要单元，更是一个值得我们研究的课题[2]。LNA位于整个接收机紧邻天线的最前一级，因此它的特性直接影响整个接收机接收信号的质量。为了克服后面各级（如混频器）电路的噪声对弱输入信号的影响，还需要产生足够高的增益，然而增益又不能太大，防止后面的混频器过载发生非线性失真。因为接收的信号动态范围很大，所以LNA还应具备较高的线性度防止引入非线性影响信号质量。LNA一般连接经过天线后的滤波器或传输直线，输入端必定做很好的匹配，保证噪声系数最小或最大功率传输，并使滤波器很好的效果。以上的性能并不能同时满足，设计时需要折中考虑。本文基于TSMC 0.18 μm RF CMOS工艺设计了一款带宽在200 MHz左右，能同时兼容GPS L1频段和BDS B1频段的LNA。
1 原理分析
1.1 LNA 拓扑结构的选择
典型的LNA拓扑结构有源简并电感的共源型结构、共栅结构、电阻反馈结构、输入端并电阻的结构，等等[3]。目前应用最普遍的结构是源简并电感型,其结构如图1所示。该结构的特点是可得到具有正实部的输入阻抗，并在功耗受限的条件下能得到优良的噪声性能[4]。在实际分析中，主放大器共源管M1尽管提供足够高的增益，但同时为也带来了M1的栅漏电容的影响。为了消除这种影响，增大反向隔离度，以及削弱弥勒效应，于是以共栅的方式连接晶体管M2。在低功耗约束下不可能使输入匹配和噪声性能都得到兼顾，为此文献[5]提倡在图1的共源共栅型中增加Cex以提升噪声特性。
作者：尹强