3GHz～5GHz CMOS超宽带低噪声放大器设计

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超带宽UWB（Ultra-Wideband）技术具有抗干扰能力强、传输速率高、带宽极宽、功耗传输低等优势，近年来已成为国内外的研究热点，并在短距离传输、高速无线LAN和成像处理等领域得到了广泛应用[1]。不论在传统的无线接收结构还是在UWB接收系统中，低噪声放大器LNA(Low- Noise Amplifier)作为射频前端的关键器件，有着至关重要的作用。其可在尽可能低地引入额外噪声的情况下放大微弱信号，同时具有良好的噪声性能、合理的平坦增益、良好输入输出匹配程度和较高的线性度等特性。

在传统的UWB LNA设计中，一般采用分布式和并联电阻反馈式技术。分布式技术具有较好的宽带特性和输入匹配特性，但功耗和芯片面积较大，并且噪声系数NF（Noise Figure）较高。而反馈式技术的额外电阻会导致噪声性能的恶化，因此不太适合LNA设计。滤波器匹配结构是目前较流行的UWB LNA结构，其拥有良好的增益平坦度和较优的噪声性能等优点，而窄带PCSNIM结构的NF、输入输出阻抗匹配和功耗等指标性能较好。因此，本文设计思路是在窄带PCSNIM LNA的输入输出端引入高阶带通滤波器，这样既保证了噪声性能、阻抗匹配和功耗等指标不被恶化，更能拓展系统的宽带。实验结果表明，此方案取得了不错的效果。
1 超宽带低噪声放大器（UWB LNA）的提出

UWB LNA的电路如图1所示，其中I_DC、M3和R1构成偏置电路，I_DC提供稳定的偏置电流，其值为60 μA。晶体管M1与M3在直流工作时形成电流镜；电阻R1可减少偏置电路对输入的影响并补偿M3管的栅源极电容（Cgs）效应，其取值为3 000 Ω；NMOS型的 M1管源极接源简并反馈电感Ls，构成去耦电路，以降低系统Q值和系统功耗；附加电容Ce可优化噪声系数和Ls值，从而减少系统的芯片面积；分立元件 L1、L2、L3、C1和C0构成五阶T型LC滤波网络，以拓展输入匹配网络的宽带； M2提供良好的反向隔离度，并能有效抑制M1管的Miller效应；为折中考虑噪声性能和功耗等指标，需合理选择M1和M2管的栅宽，一般取M1和M2尺寸相同(为80 μm)； M1和M2的级间匹配由Lm和Cm构成，能弥补电容Ce引起的增益下降，并可适当优化电路的噪声性能；M2漏端L4、Rd和C2形成并联低Q值负载结构，以提高输出网络匹配程度和减少输出回波损耗。此外，电阻Rd还可提高电路的稳定度； C3、C4、C5、L5和L6构成五阶T型LC滤波网络，具有扩展输出带宽和选频的功能。

  
2 理论分析

图 2为典型的窄带PCSNIM LNA电路结构。简并电感LS值在不是很大情况下，能较容易地实现噪声和输入阻抗的同时匹配，并能降低系统的功耗。然而LS不能太大，否则会导致电路噪声系数的恶化。为解决功耗和噪声性能相互矛盾的问题，可在晶体管M1的栅源极并联一附加电容Ce。LS和最小噪声系数表达式如下：
  

其中，c为栅-漏极噪声的相关系数；δ为与工艺相关的噪声参数，且δ=2γ；ωT为特征频率，取决于CMOS工艺而与晶体管尺寸无关；Ct=Ce+Cgs，Cgs≈(2/3)WLCOX。由式(2)可以看出，最小噪声系数表达式不包含Ce，说明额外电容Ce并没有恶化LNA的噪声性能，且与电感LS成反比，从而达到稳定噪声因子Fmin的目的。

在理想的输入阻抗匹配条件下，UWB LNA电压增益Av与Ct的平方根成反比，说明引入Ce后，系统的增益会随之降低。由于M1的输出阻抗和M2的输入阻抗都呈容性[2]，为解决Ce所引起的电压增益下降的问题，可在晶体管M1和M2之间引入一并联电感Lm和电容Cm，级间匹配如图3所示，电感Lm和电容Cm与Cgs2（M2栅源极寄生电容）、Cgd1（M1栅漏极寄生电容）谐振，抵消Cgd1所引起的M1输出容抗与Cgs2引起的M2输入容抗，进而提高系统增益和优化噪声性能。
  
3 输入匹配网络的设计


为完成宽带的输入阻抗匹配，可在输入端引入L2、L3和C0以构成三阶T型LC滤波网络，并在此基础上通过加入无源器件L1和C1来扩展UWB的宽带，如图4所示。窄带PCSNIM LNA的输入匹配阻抗Zin由式(3)确定[3]：

4 仿真结果分析

设计了一个基于TSMC 0.18 ?滋m CMOS工艺元件库的超宽带LNA，采用Agilent公司的ADS2008软件进行仿真设计。实验结果表明，噪声系数、增益、线性度和稳定度等性能指标都取得了较理想的效果。电路采用1.8 V直流电源供电，电流消耗为5.89 mA，功耗约为10.6 mW。

S参数分析：S11仿真对比如图5所示，在UWB频段间，引入电容Ce后，LNA的S11仿真结果：频率为3 GHz时，S11=-14.342 dB；频率为5 GHz时，S11=-14.868 dB。S11越小，电路的输入回波损耗就越小，说明电容Ce的引入可大大减少系统的输入回波损耗，从而实现输入阻抗的匹配。图6是正向增益S21的对比图，其中实线、虚线分别为引入电容Ce前后的仿真结果，叉线为引入级间匹配后的结果。仿真结果表明，引入Ce会导致增益的恶化，而级间匹配可弥补Ce导致的增益下降，最终平均增益超过了13 dB。S22和S12仿真结果如图7所示，引入输出并联负载结构后，在整个UWB频段内，S22<-14 dB，说明并联结构能有效改善输出反射值，系统的回波损耗得到了改善，从而防止信号泄露和增强系统稳定性；而S12<-50 dB，说明电路的反向隔离度较好。

噪声性能和稳定性分析：噪声系数仿真如图8所示，噪声系数NF：0.875 dB<NF<4.072 dB，平均值为2.47 dB，最小噪声系数NFmin<0.988，说明引入电容Ce和级间匹配后，LNA电路得了较优的噪声系数。稳定性仿真如图9所示，在整个频带内其值范围为31.315<StabFact1<69.842，MU1为负载稳定系数测量值，值大于6，StabFact1和MU1都恒大于1，表明系统是无条件稳定的。

  
线性度仿真分析：4.2 GHz时双音输出频谱图如图10所示。图中的B1为输出三阶互调失真信号的功率，记为PIMD， B2为输出基波信号的功率，记为PFind。IIP3表达式为：IIP3=（&Delta;P/2）+Pin，Pin为输入功率，设为-40 dBm，?驻P=PFind－PIMD，将图中数据代入公式可得4.2 GHz 时的IIP3值为5.79 dBm。同理，当输出频谱为3.6 GHz时，IIP3值为5.61 dBm。经过多个中心频率测试，最终可得UWB LNA的IIP3的平均值约为5.35 dB，说明电路取得了较好的线性度。

  
本文设计了一款具有低噪声、高线性度等特性的UWB LNA。提出的LNA基于窄带PCSNIM结构，并在其
输入输出端引入了高阶带通滤波器。仿真结果表明，电路获得了约为13.5 dB的正向增益和0.875 dB～4.072 dB的噪声系数。此外，线性度和功耗等性能方面也取得了不错的效果。