An Ultra-Wideband Low Noise Amplifier Based on Noise Cancellation Technique*

SHAO Xiangpeng，ZHANG Wanrong，DING Chunbao，ZHANG Qingyuan，GAO Dong，HUO Wenjuan，ZHOU Menglong，LU Dong

(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

An Ultra-Wideband Low Noise Amplifier Based on Noise Cancellation Technique*

SHAO Xiangpeng，ZHANG Wanrong*，DING Chunbao，ZHANG Qingyuan，GAO Dong，HUO Wenjuan，ZHOU Menglong，LU Dong

(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

An ultra-wideband low noise amplifier(UWB LNA)was presented．The UWB LNA is composed of input stage，intermediate stage and output stage．At input stage，noise cancellation structure constructed by two common-gate configuration is utilized to decrease noise figure，Gm-boost structure is used to enhance gain，the inserted inductor Linimproves the gain flatness of the LNA within the wideband．At intermediate stage，the bandwidth is broaden due to the zero generated by shunt inductor at the drain of amplifier．The output stage is a source follower which provides a good output matching easily．Based on 0．18 μm standard CMOS process，the LNA is verified．The voltage gain(S21)maintains 19．2 dB±0．3 dB，noise figure(NF)swings from 2．1 dB to 2．4 dB，input reflection(S11)and output reflection (S22)are less than－10 dB within the range of 4 GHz～10 GHz．The input intercept point(IIP3)is－7 dBm at 9 GHz．The LNA consumes only 28．6 mW from a 1．8 V voltage．

noise cancellation;gm-boosted;ultra-wideband;CMOS

超寬帶(UWB)技術作為一種低功耗、短距離互聯技術，近些年來得到了飛速的發展［1－2］。美國聯邦通訊委員會(FCC)規定:任何工作頻段在3．1 GHz～10．6 GHz且滿足帶寬大于500 MHz的信號都定義為超寬帶［3］。

超寬帶低噪聲放大器(UWB LNA)位于接收器的前端，制約著整個接收系統的性能。為了使LNA在頻帶內噪聲性能良好，很多學者采用了各種結構，如宋睿豐等人所使用的基于0．35 μm SiGe HBT工藝的電阻并聯負反饋共源共柵結構，盡管功耗很低，但其噪聲最小值在3．1 GHz～10．6 GHz范圍內都大于3．5 dB［4］。Hu Jianyun等人所使用的基于0．18 μm CMOS工藝的電阻負反饋的噪聲抵消結構，盡管輸出匹配很好，但噪聲在0．7 GHz～6．5 GHz內仍介于3．5 dB～4．2 dB［3］，Khurram M等人所使用的基于0．13 μm IBM CMOS工藝的共柵跨導增強結構，其噪聲在3．1 GHz～10．6 GHz內大于4．5 dB［5］，噪聲系數都不盡如人意。本文采用0．18 μm TSMC CMOS工藝，對超寬帶低噪聲放大器進行研究，提出了一款基于新型噪聲抵消機制的電路結構。其工作電壓為1．8 V，噪聲系數在頻帶范圍為內介于2．1 dB～2．4 dB。

論文安排如下:第1部分給出電路的原理與設計，第2部分展示電路驗證結果，最后為結論部分。

1　電路原理與設計

本節敘述噪聲抵消機制電路的原理與設計思路。圖1為整個電路的結構示意圖，該電路由三級組成，即輸入級、中間級、輸出級。輸入級采用了互補式共柵結構，因為共柵結構在寬帶范圍內都具有良好的輸入匹配，輸入阻抗約為1/gm。M3和M4為跨導增強管，提高輸入級的整體跨導。中間級放大器具有較高的增益，級聯中間級放大器，使得增益達到一定的值，適用于接收系統。輸出級采用低增益的源極跟隨器，具有良好的輸出匹配。

圖1　本文提出的電路結構示意圖

1．1輸入級的噪聲抵消結構

如圖2所示，由于LS3和LS4較小，計算時忽略，該結構的跨導為:

圖2　輸入級放大器信號噪聲示意圖

由晶體管M1產生的溝道噪聲電流= 4kTγgm1將會在M1管的源極產生噪聲電壓，可以通過電感Lin和Cblock傳到M3和M4的柵極，M1和M2公用一個源極即A點，這樣就使得M1和M4、M2和M3輸入電壓相同，因此M1噪聲電壓控制M2和M3管，使得M2和M3產生大小受控電流?，經過放大在B點輸出其表達式如式(3)所示，而M1在漏極產生噪聲電壓，如式(4)所示。同理，M2的溝道噪聲經過M1和M4放大在B點輸出如式(5)所示，而M2在漏極產生的噪聲電壓如式(6)所示。

為了使溝道噪聲抵消，應滿足:

由此可得:

1．2輸入阻抗

良好的輸入阻抗匹配意味著較少的回波損耗，這樣信號就能有效的傳入放大器。由于表征回波損耗的S11=－20lg(Γin)，其中Γin=(Rin－Zs)/(Rin+Zs)。共柵放大器作為輸入級，放大器寬帶內具有良好的輸入匹配特性，以式(7)為條件，推出該放大器的輸入阻抗為:

調節gm1或者gm2、Lin等最終使阻抗匹配在50 Ω附近，可得符合要求的S11。

1．3中間級放大器設計

為了提高增益系數增加了中間級放大器，并通過并聯電感LD5引入零點，拓展帶寬。如圖1所示，計算得中間級放大器的增益為:。

1．4輸出級放大器的設計

圖1所示輸出級放大器。前面兩級的增益系數已經足夠大，所以，最后一級需具有良好的輸出匹配。輸出阻抗匹配可由S參數來表征，其中。此時，Zout=1/ gm6，調整M6管的柵寬，使S22符合要求。

1．5放大器的整體增益

根據圖1可得到該UWB LNA的整體增益由前面兩級構成，未加入電感Lin時，增益為:

這樣隨頻率增加，感抗和阻抗都有隨著頻率增大而減小，增益平坦度較差，加入補償電感Lin后增益為:

由式(9)可以知道，在工作頻帶范圍內存在一個極點sLD4+RD4=0。插入電感Lin后，該零點變化為。該零點為共軛零點，實部可以表示為。這兩個極點出現在工作頻帶以外的高頻部分，相對于原來的電路來說在工作頻帶范圍內，極點減少了。因此，該放大器在寬帶范圍內的增益隨頻率變化不會那么明顯，提高了該UWB LNA的整體增益平坦度。源極負反饋LS3、LS4也都略微地提升了該UWB LNA的增益平坦度。

1．6放大器的整體噪聲

在高頻情況下我們忽略閃爍噪聲、散粒噪聲，并且忽略跨導增強支路所產生的噪聲，只考慮熱噪聲。多級放大器級聯后的噪聲系數為:

GAi為第i級放大器的資用功率增益，FNi為第i

級的噪聲系數［6］。由式(11)可以看出，越靠近輸入端的噪聲系數在整個放大器中占的比重越重，本文的放大器的輸入級的兩個支路具有噪聲抵消的作用，輸入級的噪聲較小，這樣該UWB LNA的噪聲就會顯著地減小。由于輸入級的溝道噪聲被抵消，只有電阻RD1和RD2產生噪聲。中間級的晶體管M5產生溝道噪聲。而電阻RD5產生的熱噪聲在輸出端，

與輸出級一樣，由于前面兩級的增益較高，因此要被忽略。由此推算噪聲系數為:

2　UWB LNA驗證結果

本文提出的UWB LNA采用0．18 μm TSMC CMOS工藝進行仿真驗證。圖3為UWB LNA的噪聲系數，在4 GHz～10 GHz范圍內噪聲系數介于2．1 dB～2．4 dB。圖4為S參數示意圖，其中S11和S22在工作頻帶范圍內均小于－10 dB。在沒有電感Lin的情況下，S21從19．4 dB降到了14．6 dB，在工作頻帶范圍內，降低了4．8 dB，平坦度較差。插入電感Lin后，S21為(19．2±0．3)dB，增益平坦度良好，電感Lin作用明顯。

圖3　噪聲系數仿真結果

圖4　S參數仿真結果

圖5為IIP3的示意圖，從圖5可以看出，本文提出的LNA在9 GHz時，IIP3約為－7 dBm。

如圖6所示，是整個放大器的版圖。從左到右依次為:輸入級、中間級、輸出級。版圖的信號通路和電路圖相似，按照從上向下的順序，盡量最短走線，這樣的電路布局，性能比較接近預期。整個芯片面積為1．5 mm×1．5 mm。

表1對本文的UWB LNA進行了性能總結，同時和其他的CMOS寬帶LNA進行了比較。由表1可以看出，本文提出的UWB LNA具有良好的噪聲性能，較高、較平坦的增益。

圖5　該低噪聲放大器的IIP3仿真結果

圖6　整個放大器的版圖

表1　各種LNA的比較

3　結論

本論文提出了一款具有新型噪聲抵消電路結構的超寬帶低噪聲放大器(UWB LNA)，它由輸入級、中間級、輸出級組成。由于在輸入級采用噪聲抵消支路，該放大器在整個寬帶范圍內噪聲都很小。在4 GHz～10 GHz范圍內，噪聲只介于2．1 dB～2．4 dB。輸入級串聯電感，使該放大器在工作頻帶范圍內增益只波動了0．6 dB。中間級采用并聯電感手段，拓展了放大器的帶寬。輸出級為源級跟隨器，為放大器提供了良好的輸出阻抗匹配。整個放大器的增益在工作頻帶內達到(19．2±0．3)dB。在1．8 V的電源電壓下，LNA功耗為28．6 mW。該LNA的噪聲、增益、功耗和輸入輸出匹配這幾項參數性能良好，適用于射頻接收機的前端。

［1］孫波濤，張萬榮，謝紅云，等．采用噪聲抵消技術的寬帶SiGe HBT低噪聲放大器設計［J］．電子器件，2010，33(4):456－459．

［2］張洪福，羅晚會．無線接收機中低噪聲放大器的設計與仿真［J］．固態電子器件及其電路，2011，34(1):44－48．

［3］宋睿豐，廖懷林，黃如，等．3．1 GHz～10．6 GHz超寬帶低噪聲放大器設計［J］．北京大學學報(自然科學版)，2007，43(1):78－81．

［4］Hu Jianyun，Zhu Yunliang，Wu Hui．An Ultra-Wideband Resistive-Feedback Low-Noise Amplifier with Noise Cancellation in 0．18 μm Digital CMOS［C］//Proceedings of IEEE Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems(SiRF)，2008，Orlando FL:218－221．

［5］Khurram M，Rezaul Hasan S M．Series Peaked Noise Matched Gm-Boosted 3．1 GHz～10．6 GHz CG CMOS Differential LNA for UWB WiMedia［J］．IEEE Electronics Letters，2011，47(12):1346－1348．

［6］李志群，王志功．射頻集成電路與系統［M］．北京:科學出版社，2010:98－107．

［7］華明清，王志功，李志群．0．18 μm CMOS 3．1 GHz～10．6 GHz超寬帶低噪聲放大器設計［J］．電路與系統學報，2007，12(1):44－47．

［8］Shekhar S，Li X，Allstot D J．A CMOS 3．1 GHz～10．6 GHz UWB LNA Employing Stagger-Compensated Series Peaking［C］//Radio FrequencyIntegratedCircuitssymposium．SanFrancisco，CA．2006．

［9］Chang J F，Lin Y S．0．99 mW 3 GHz～10 GHz Common-Gate CMOS UWB LNA Using T-Match Input Network and Self-Body-Bias Technique［J］．IEEE Electronics Letters，2011，47(11):658－659．

［10］Yang Lu，Kiat Seng Yeo，Alper Cabuk，et al．A Novel CMOS Low-Noise Amplifier Design for 3．1 GHz to 10．6 GHz Ultra-Wide-Band Wireless Receivers［J］．IEEE Transactions on Circuits and Systems，2006，53(8):1683－1692．

邵翔鵬(1990－)，男，漢族，江蘇省宿遷市人，現為碩士研究生，主要研究方向為射頻集成電路，singasin@ sina．com;

張萬榮(1964－)，男，河北省人，教授，博士生導師，主要從事射頻器件和射頻集成電路的研究。

EEACC:1220;523010．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．017

基于噪聲抵消技術的超寬帶低噪聲放大器*

邵翔鵬，張萬榮*，丁春寶，張卿遠，高棟，霍文娟，周孟龍，魯東
(北京工業大學電子信息與控制工程學院，北京100124)

實現了一款超寬帶低噪聲放大器(UWB LNA)。該UWB LNA由輸入級、中間級和輸出級組成。在輸入級，采用兩個共柵配置構成了噪聲抵消技術，減少了噪聲，在此結構基礎上進一步采用了跨導增強技術，提高了增益。同時插入的電感Lin提高了LNA在寬帶范圍內的增益平坦度。中間級放大器，在漏極并聯電感產生零點，提高了LNA的帶寬。輸出級為源極跟隨器，較好實現了LNA的阻抗匹配。基于0．18 μm TSMC CMOS工藝仿真驗證表明，在4 GHz～10 GHz頻帶范圍內，電壓增益(S21)為(19．2±0．3)dB，噪聲系數(NF)介于2．1 dB～2．4 dB之間，輸入、輸出反射系數(S11、S22)均小于－10 dB。在9 GHz時，輸入三階交調點(IIP3)達到－7 dBm。在1．8 V的電源電壓下，功耗為28．6 mW。

噪聲抵消;跨導增強:超寬帶;CMOS

TN722．3

A文獻標識碼:1005－9490(2015)01－0074－04

2014－03－03修改日期:2014－03－26

項目來源:國家自然科學基金項目(60776051，61006044，61006059);北京市自然科學基金項目(4142007);北京市教委科技發展計劃項目(KM200710005015，KM200910005001);北京市優秀跨世紀人才基金項目(67002013200301)