Cascode CG低噪放电路设计

Cascode CG stage是另一种实现低输入阻抗的电路，如下图所示。

因为增加了一个管子M2，所以很明显的，会带来两个问题：

(1)  M2带来的噪声贡献

(2)  由于两个器件堆叠，带来的电压余量的减小。

可是为啥，M2会带来问题，但是还要提出Cascode CG stage呢？书中没有讲。

推导了一下，发现Rin,Rout,Av和CG stage都一样，所以这个问题还没想通。应该是在考虑沟道调制效应的时候，会有所优势。这个今天先悬在那，后续再推导一下。

关于上面说的两个问题，razavi的书上做了很详细的说明，总的一句话，就是，在特定条件下，这两个问题都不是问题。

关于第一个问题，结论是，M2带来的噪声贡献与频率相关，当小于某个频点时，带来的噪声可忽略不计。

如下图所示，对上面的Cascode CG stage做一系列简化，包括：

(1) 用输出电阻2ro1来替代M1，且CX=CDB1+CGD1+CSB2.

(2) 用电阻R1来替代LC tank

(3) 忽略VGS2,沟道调制效应，M2的体效应

推导一下，即可以写出M2的热噪声Vn2到输出端的传输函数。

从上图中的传输函数可知，M2的噪声贡献，当频率小于1/(2ro1Cx)时，是可以忽略的，但当大于该频率时，噪声就开始放大了。

因为CX和Cgs相当，且2ro1>>1/gm，我们注意到

也就是说，当零频远低于管子的特征频率fT时，M2对电路噪声的贡献是很小的。

第二个问题是关于电压余量的，即随着工艺的尺寸变小，供电电压也越小，那会不会造成管子供电电压不够，不足以支撑其正常的工作状态。

书中也做了详细的分析，答案是只要选择合适的电压，则不会。

以下是理由，有点绕，但是沉下心来，还是可以看懂的。

其基本原则，就是为了保证管子处于饱和状态，则要求管子的电压满足VGS-VDS

现在开始绕：

M2的漏极电压为VDD；

为了保证M2处于饱和状态，则要求Vb2-VDD

VX=VDD-VGS2（因为VGS2=Vb2-VX,所以VGS2=VDD-VX）；

为了保证M1处于饱和状态，要求VGD1=Vb1-VX

所以M1的源极电压VS1不能超过VDD-VGS2-(VGS1-VTH1)(因为VGS1=Vb1-Vs1，所以Vs1=Vb1-VGS1

所以只要VDD>VGS2+(VGS1-VTH)，电路就可以处于合适的偏置状态，即我们可以说，两个管子消耗的电压为VGS2+(VGS1-VTH1)。

至于M1的源极到地的供电路径，这边没有选上右图(a)中的电流源M2，也没有选上右图(b)中的电阻，而是选择了电感。如下图所示。

这样可以避免在噪声和电压余量之间做选择，同时能够抵消电路的输入电容。

在现代RF设计中，LB和L1都集成在芯片上。

书中，给出了该种架构的设计步骤，根据这个步骤，可以得到初始值。

确定工艺后，即可知道供电电压；同时肯定也知道工作频率。

设计分为以下几步：

step1：

给M1选择合适的尺寸和偏置电压，gm=1/(50ohm)。

那具体怎么选呢？

晶体管的长度设置为工艺允许的最小长度，主要需要确定的是晶体管的宽度和漏极电流。

使用电路仿真，绘制出NMOS晶体管在给定宽度W0的情况下，跨导和fT与漏极电流的变化关系，如下图所示。

为了避免额外的功耗，选择一个偏置电流ID0，可以提供饱和gmax的80%~90%。

使得宽度和漏极电流处于一个最优的状态。

W0和ID0知道后，其他跨导值，可以通过简单对这两个值成比例的放大或者缩小得到。

在获得1/gm1=50 ohm时，根据其对应的尺寸和偏置电流，进而得到overdrive电压。

从这些措施来看，好像gmID曲线的方法也适用。

审核编辑：刘清