基于噪聲消除技術的超寬帶低噪聲放大器設計

高 雅，王寧章

（廣西大學 計算機與電子信息學院，廣西 南寧 530004）

2002年 2月，美國聯邦通信委員會（FCC）規劃了3.1 GHz～10.6 GHz的頻譜資源作為超寬帶無線通信的頻段，并引發了國內外廣泛的關注[1-2]。超寬帶UWB(Ultra-Wideband)以高傳輸速率、低功耗、較強的抗干擾能力等優勢，成為最具研究潛力的技術之一。作為超寬帶無線接收機前端的低噪聲放大器，其噪聲性能直接影響整個系統的靈敏度指標，主要作用是對接收到的微弱信號進行放大。低噪放的設計需要在噪聲、帶寬、增益及功耗等指標中需要做出折中考慮，它的設計在接收射頻前端中有著至關重要的作用。

本文采用TSMC 0.18μm工藝設計了一種基于噪聲消除技術、工作在3 GHz～5 GHz頻段的CMOS超寬帶、低噪聲放大器。采用單端轉差分的balun結構，對LNA噪聲進行優化。本文采用共柵管（CG）作為輸入匹配，共柵管與共源管并聯實現噪聲消除的目的，并運用串聯電感負載的辦法提高高頻增益，實現了噪聲消除與寬帶的匹配。

1 共柵結構分析

UWB LNA的輸入匹配電路由共柵管 M1、L1、C1組成，如圖1所示。Cgs為M1管的柵源電容，Cd是M1管的漏極電容，Co是雜散電容。CMOS放大器的主要噪聲來源于主放大器MOS管的溝道熱噪聲，其噪聲表達式為：

其中，RL是共柵管的負載電阻，RS是信號源阻抗，假設=1.33，其噪聲系數 NF約為 4 dB[3-4]，不能滿足超寬帶低噪聲放大器的設計要求，須針對其缺點對電路進行噪聲優化。

圖1 共柵結構小信號等效電路圖

該超寬帶低噪聲放大器的輸入阻抗為[5]：

其中，gm是共柵管 M1的跨導，ZL是 M1的負載電阻，rds是M1的漏源電阻。由于ZL的阻值遠遠小于rds，輸入阻抗的實部表達式為：

結合輸入阻抗匹配到50Ω的原則，Zin≈=50Ω，可得出共柵管的跨導gm=20 mS。

2 噪聲消除設計分析

2.1 噪聲消除技術

本文采用共柵管作為輸入匹配，有用信號經兩條Cascode支路后幅度相同，相位相反，差分輸出后增益加強。噪聲信號經兩條Cascode支路后幅度相同，相位相同，差分輸出后噪聲消除。

圖2為共柵管輸入匹配電路圖，輸入電流iin可表達為輸入電壓與輸入阻抗之比：

其中，共柵管的輸入阻抗匹配到信號源阻抗Rin，CG=RS=50Ω。流入負載的電流設為iR1：

其中Vout，CG是共柵管的輸出電壓，設共柵管M1的放大倍數 為 ACG，ACG=，如圖2所示，iin=iR1，聯立式（4）、式（5）得：

圖2 共柵管輸入匹配電路圖

由式（7）可得，共柵管 M1的放大倍數等于負載電阻R1與信號源阻抗RS之比。

采用常用的噪聲消除技術設置原則優化共源管M1的柵寬值，其值的大小與M3管的柵寬值大小有一定的比例關系，M1的跨導與M3的跨導也就有著對應的比例關系，gm(CS)=ngm(CG)。負載則有相反的比例關系，即RCG=nRCS。n值的選取根據電路的不同而有不同的設置。

在增益、輸入匹配及噪聲系數指標中做折中，n=4是較好的選擇[6]。M1的跨導為gm，M2的跨導取值為4gm，為了滿足電路所需的平衡狀態，差分輸出的兩路應該有相同的放大倍數，即：

根據式（8）得，負載 R2的阻值是 R1的 1/4。R1的阻值選取為1 200Ω，則R2==300Ω。差分電路輸出端的電壓Vout，diff表達式如下所示：

式（9）表明，差分輸出后有用信號增強。

2.2 Balun-LNA Topology

圖3所示為采用噪聲消除技術設計的UWB LNA的完整電路圖，共柵管M1與共源管M3通過耦合電容C2并聯，其目的是加大增益及增強電路的隔離度，同時能夠有效減少M1管、M3管的Miller效應。M1與M2管組成了共源共柵結構，M3與M4組成了共源共柵結構，M5與Rf組成了電路的偏置電路。

圖3 UWB LNA完整電路圖及相位分析圖

有用信號經M1管后被同相放大，即X節點與Y節點相位同相；有用信號經過M3管后被反相放大，即X節點與Z節點相位反相。由于M1管與M3管應具有相同的放大倍數，即Y節點與Z節點是幅度相同、相位相反的兩個信號，由差分電路輸出后有用信號被增強。

對于MOS管的溝道熱噪聲信號而言，經過共柵管M1的電流噪聲在X節點與Y節點的相位相反。經過共源管M3的電流噪聲在X節點與Z節點相位相反，即Y節點與Z節點的噪聲信號是幅度、相位相同的兩個信號，由差分電路輸出后共模噪聲得以消除。

3 仿真結果分析

本文基于TSMC公司的0.18μm標準工藝設計了超寬帶低噪聲放大器。圖4～圖7是S參數和噪聲系數的仿真結果圖。

圖4 S11仿真結果圖

圖5 S22仿真結果圖

圖6 S21仿真結果圖

圖7 NFmin仿真結果圖

由圖4、圖5可見，在3 GHz～5 GHz頻率范圍內，輸入反射系數S11小于-11 dB，輸出反射系數S22小于-11.2 dB，表明電路具有較好的輸入、輸出匹配特性，能夠有效減少信號的反射；反射隔離系數S12小于-60 dB，表明電路的反相隔離度性能良好。由圖6可見，在3 GHz～5 GHz頻率范圍，電路正向增益S21大于17.5 dB，L1與C1諧振位于低頻點，有效提高了輸入阻抗特性和低頻增益，其中螺旋電感L1的品質因子Q在整個頻率范圍內均大于8；負載電路合理的選擇能夠有效提高電路的高頻增益。由圖7可見，電路的最小噪聲系數NFmin在3 GHz～5 GHz范圍內小于2.4 dB，且頻率越高，各種寄生效應越明顯，因此噪聲系數惡化越嚴重。與其他文獻LNA相比，噪聲系數達到了較優結果。

在1.8 V電壓下，電路的功耗為12.5 mW。表1總結了本文所提出的超寬帶、低噪聲放大器與其他文獻中設計的LNA的仿真對比結果。結果表明，本文所設計的采用噪聲消除技術的電路在增益、噪聲系數、插入損耗及功耗方面較其他設計都有更好的效果。

表1 所提出的UWB LNA與其他超寬帶、低噪放結果相比較

根據噪聲消除技術原理，利用共柵管較容易實現輸入匹配的特點，采用差分輸出電路的模式，設計了一種在3 GHz～5 GHz頻帶內超寬帶、低噪聲放大器電路。本文對電路的設計原理和參數設計進行了定量分析。基于0.18μm CMOS工藝對電路進行仿真設計，在3 GHz～5 GHz帶寬內，電壓增益大于17 dB，噪聲系數低于 2.7 dB；在1.8 V電源電壓下，電路功耗為12.5mW。與其他文獻相比較，所設計的低噪聲放大器達到了較好水平。

[1]BLAAKMEER S C，KLUMPERINK E A M，LEENAERTS D M W，et al.The BLIXER，a wideband balun-LNA-I/Q-mixer topology[J].IEEE JSSC，2008，43(12)：2706-2714.

[2]王寧章，高雅，寧吉，等.3 GHz～5 GHz超寬帶噪聲系數穩定的低噪聲放大[J].電子技術應用，2013，39（7）：31-34.

[3]BMCCOLERI F.Wideband CMOSlow noise amplifier exploiting thermal noise canceling[J].IEEE JSSC，2004，39(2)：275-282.

[4]BLAAKMEER S C，KLUMPERINK E A M，LEENAERTS D M W，et al.Wideband balun-LNA with simultaneous output balancing，noise-canceling and distortion-canceling[J].IEEE JSSC，2008，43(6)：341-1350.

[5]Liao Chih-Fan，Liu Shen-Iuan.A broadband noise-canceling CMOS LNA for 3.1～10.6 GHz UWB receivers[J].IEEE JSSC，2007，42(2)：329-339.

[6]BLAAKMEER S C，KLUMPERINK E A M，LEENAERTS D M W，et al.An inductorless wideband balun-LNA in 65 nm CMOS with balanced output[C].Proc.33rd Eur.Solid-State Circuits Conf.(ESSCIRC2007)，Munich，Germany，Sep，2007：364-367.