3 GHz～5 GHz CMOS超寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)

王寧章，唐江波，秦國賓，盧安棟，羅婕思

（廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西 南寧530004）

超帶寬UWB（Ultra-Wideband）技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、功耗傳輸?shù)偷葍?yōu)勢，近年來已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，并在短距離傳輸、高速無線LAN和成像處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。不論在傳統(tǒng)的無線接收結(jié)構(gòu)還是在UWB接收系統(tǒng)中，低噪聲放大器LNA(Low-Noise Amplifier)作為射頻前端的關(guān)鍵器件，有著至關(guān)重要的作用。其可在盡可能低地引入額外噪聲的情況下放大微弱信號(hào)，同時(shí)具有良好的噪聲性能、合理的平坦增益、良好輸入輸出匹配程度和較高的線性度等特性。

在傳統(tǒng)的UWB LNA設(shè)計(jì)中，一般采用分布式和并聯(lián)電阻反饋式技術(shù)。分布式技術(shù)具有較好的寬帶特性和輸入匹配特性，但功耗和芯片面積較大，并且噪聲系數(shù)NF（Noise Figure）較高。而反饋式技術(shù)的額外電阻會(huì)導(dǎo)致噪聲性能的惡化，因此不太適合LNA設(shè)計(jì)。濾波器匹配結(jié)構(gòu)是目前較流行的UWB LNA結(jié)構(gòu)，其擁有良好的增益平坦度和較優(yōu)的噪聲性能等優(yōu)點(diǎn)，而窄帶PCSNIM結(jié)構(gòu)的NF、輸入輸出阻抗匹配和功耗等指標(biāo)性能較好。因此，本文設(shè)計(jì)思路是在窄帶PCSNIM LNA的輸入輸出端引入高階帶通濾波器，這樣既保證了噪聲性能、阻抗匹配和功耗等指標(biāo)不被惡化，更能拓展系統(tǒng)的寬帶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方案取得了不錯(cuò)的效果。

1 超寬帶低噪聲放大器（UWB LNA）的提出

UWB LNA的電路如圖 1所示，其中I_DC、M3和 R1構(gòu)成偏置電路，I_DC提供穩(wěn)定的偏置電流，其值為60 μA。晶體管M1與M3在直流工作時(shí)形成電流鏡；電阻R1可減少偏置電路對(duì)輸入的影響并補(bǔ)償M3管的柵源極電容（Cgs）效應(yīng)，其取值為 3 000 Ω；NMOS型的 M1管源極接源簡并反饋電感Ls，構(gòu)成去耦電路，以降低系統(tǒng)Q值和系統(tǒng)功耗；附加電容Ce可優(yōu)化噪聲系數(shù)和Ls值，從而減少系統(tǒng)的芯片面積；分立元件 L1、L2、L3、C1和 C0構(gòu)成五階T型LC濾波網(wǎng)絡(luò)，以拓展輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的寬帶；M2提供良好的反向隔離度，并能有效抑制M1管的Miller效應(yīng)；為折中考慮噪聲性能和功耗等指標(biāo)，需合理選擇M1和M2管的柵寬，一般取M1和M2尺寸相同(為80 μm)；M1和 M2的級(jí)間匹配由 Lm和 Cm構(gòu)成，能彌補(bǔ)電容Ce引起的增益下降，并可適當(dāng)優(yōu)化電路的噪聲性能；M2漏端 L4、Rd和 C2形成并聯(lián)低 Q值負(fù)載結(jié)構(gòu)，以提高輸出網(wǎng)絡(luò)匹配程度和減少輸出回波損耗。此外，電阻 Rd還可提高電路的穩(wěn)定度；C3、C4、C5、L5和 L6構(gòu)成五階T型LC濾波網(wǎng)絡(luò)，具有擴(kuò)展輸出帶寬和選頻的功能。

2 理論分析

圖2為典型的窄帶PCSNIM LNA電路結(jié)構(gòu)。簡并電感LS值在不是很大情況下，能較容易地實(shí)現(xiàn)噪聲和輸入阻抗的同時(shí)匹配，并能降低系統(tǒng)的功耗。然而LS不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致電路噪聲系數(shù)的惡化。為解決功耗和噪聲性能相互矛盾的問題，可在晶體管M1的柵源極并聯(lián)一附加電容Ce。LS和最小噪聲系數(shù)表達(dá)式如下：

其中，c為柵-漏極噪聲的相關(guān)系數(shù)；δ為與工藝相關(guān)的噪聲參數(shù)，且 δ=2γ；ωT為特征頻率，取決于 CMOS工藝而與晶體管尺寸無關(guān) ；Ct=Ce+Cgs，Cgs≈(2/3)WLCOX。 由式(2)可以看出，最小噪聲系數(shù)表達(dá)式不包含 Ce，說明額外電容Ce并沒有惡化LNA的噪聲性能，且與電感LS成反比，從而達(dá)到穩(wěn)定噪聲因子Fmin的目的。

在理想的輸入阻抗匹配條件下，UWB LNA電壓增益 Av與Ct的平方根成反比，說明引入 Ce后，系統(tǒng)的增益會(huì)隨之降低。由于M1的輸出阻抗和M2的輸入阻抗都呈容性[2]，為解決Ce所引起的電壓增益下降的問題，可在晶體管M1和M2之間引入一并聯(lián)電感Lm和電容Cm，級(jí)間匹配如圖 3所示，電感 Lm和電容 Cm與 Cgs2（M2柵源極寄生電容）、Cgd1（M1柵漏極寄生電容）諧振，抵消Cgd1所引起的 M1輸出容抗與 Cgs2引起的M2輸入容抗，進(jìn)而提高系統(tǒng)增益和優(yōu)化噪聲性能。

3 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

為完成寬帶的輸入阻抗匹配，可在輸入端引入L2、L3和C0以構(gòu)成三階T型LC濾波網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上通過加入無源器件L1和C1來擴(kuò)展UWB的寬帶，如圖 4所示。窄帶PCSNIM LNA的輸入匹配阻抗Zin由式(3)確定[3]：

其中，K和 m皆為 CMOS 0.18 μm工藝參數(shù)，且 K≈0.8，如果 ωLs＜＜K/ωCt、Xopt≈K/ωCt， 此時(shí)有 Zin=（m+jK）/ωCt，說明電容Cm對(duì)電路的輸入匹配有著重要的作用。

另外，也可采用最小二乘算法得出UWB LNA的輸入阻抗Zin值：

Zin是 an、bn和輸入回波損耗 S11的函數(shù)，an和 bn值由以下公式給出：

通過計(jì)算和電路調(diào)諧便可確定 C0、C1、L1、L2和 L3值，再通過ADS2008軟件仿真讀取S11值，最后將上述值代入式(4)便可計(jì)算出 Zin值。Zin的實(shí)部越接近 50 Ω，同時(shí)虛部越接近0，表明此時(shí)電路的輸入匹配程度越高。

4 仿真結(jié)果分析

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于 TSMC 0.18 μm CMOS工藝元件庫的超寬帶LNA，采用Agilent公司的ADS2008軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噪聲系數(shù)、增益、線性度和穩(wěn)定度等性能指標(biāo)都取得了較理想的效果。電路采用1.8 V直流電源供電，電流消耗為5.89 mA，功耗約為10.6 mW。

S參數(shù)分析：S11仿真對(duì)比如圖 5所示，在UWB頻段間，引入電容 Ce后，LNA的 S11仿真結(jié)果：頻率為 3 GHz時(shí)，S11=-14.342 dB；頻率為 5 GHz時(shí)，S11=-14.868 dB。S11越小，電路的輸入回波損耗就越小，說明電容Ce的引入可大大減少系統(tǒng)的輸入回波損耗，從而實(shí)現(xiàn)輸入阻抗的匹配。圖6是正向增益S21的對(duì)比圖，其中實(shí)線、虛線分別為引入電容Ce前后的仿真結(jié)果，叉線為引入級(jí)間匹配后的結(jié)果。仿真結(jié)果表明，引入Ce會(huì)導(dǎo)致增益的惡化，而級(jí)間匹配可彌補(bǔ)Ce導(dǎo)致的增益下降，最終平均增益超過了13 dB。S22和S12仿真結(jié)果如圖7所示，引入輸出并聯(lián)負(fù)載結(jié)構(gòu)后，在整個(gè) UWB頻段內(nèi)，S22＜-14 dB，說明并聯(lián)結(jié)構(gòu)能有效改善輸出反射值，系統(tǒng)的回波損耗得到了改善，從而防止信號(hào)泄露和增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性；而S12＜-50 dB，說明電路的反向隔離度較好。

噪聲性能和穩(wěn)定性分析：噪聲系數(shù)仿真如圖8所示， 噪聲系數(shù) NF：0.875 dB＜NF＜4.072 dB， 平均值為2.47 dB，最小噪聲系數(shù) NFmin＜0.988，說明引入電容 Ce和級(jí)間匹配后，LNA電路得了較優(yōu)的噪聲系數(shù)。穩(wěn)定性仿真如圖9所示，在整個(gè)頻帶內(nèi)其值范圍為31.315＜Stab-Fact1＜69.842，MU1為負(fù)載穩(wěn)定系數(shù)測量值，值大于 6，StabFact1和MU1都恒大于1，表明系統(tǒng)是無條件穩(wěn)定的。

線性度仿真分析：4.2 GHz時(shí)雙音輸出頻譜圖如圖10所示。圖中的B1為輸出三階互調(diào)失真信號(hào)的功率，記為PIMD，B2為輸出基波信號(hào)的功率，記為PFind。IIP3表達(dá)式為：IIP3=（ΔP/2）+Pin，Pin為輸入功率， 設(shè)為-40 dBm，ΔP=PFind－PIMD，將圖中數(shù)據(jù)代入公式可得 4.2 GHz時(shí)的IIP3值為5.79 dBm。同理，當(dāng)輸出頻譜為3.6 GHz時(shí)，IIP3值為5.61 dBm。經(jīng)過多個(gè)中心頻率測試，最終可得UWB LNA的IIP3的平均值約為5.35 dB，說明電路取得了較好的線性度。

本文設(shè)計(jì)了一款具有低噪聲、高線性度等特性的UWB LNA。提出的LNA基于窄帶PCSNIM結(jié)構(gòu)，并在其輸入輸出端引入了高階帶通濾波器。仿真結(jié)果表明，電路獲得了約為13.5 dB的正向增益和0.875 dB～4.072 dB的噪聲系數(shù)。此外，線性度和功耗等性能方面也取得了不錯(cuò)的效果。

[1]KAO H L，CHANG K C.Very low-power CMOS LNA for UWB wireless receivers using current-reused topology[J].Solid-State Electronics，2008(52)：86-90.

[2]ZHANG C，HUANG D Q，LOU D W.Optimization of cascade CMOS low noise amplifier using inter-stage matching network[C].IEEE Conference Electronic Dev and SolSta Circ，Hong Kong，China，2003：465-468.

[3]DORAFSHAN A，SOLEIMANI M.High-gain CMOS low noise amplifier for ultra wireless receiver[J].Progress In Electromagnetic Research C，2009(7)：183-191.