一種雙負反饋自偏置CMOS UWB低噪聲放大器

袁小方， 段吉海， 徐衛林， 韋保林

(桂林電子科技大學 廣西精密導航技術與應用重點實驗室，廣西 桂林 541004)

2002年，美國聯邦通信委員會(FCC)對超寬帶(Ultra Wideband，簡稱UWB)作出了定義，并批準超寬帶技術可以應用于民用領域。由于超寬帶技術具有高數據速率、強保密性、低復雜性、低功耗和低成本等特點，受到了科研院所和企業的青睞。目前，UWB技術多應用在短距離高速無線通信(如WLAN和WPAN)、室內無線定位、家庭網絡、物聯網等領域[1]。

低噪聲放大器(low noise amplifier，簡稱LNA)作為射頻接收系統的第1級有源電路，其各個指標的好壞直接影響到接收機的性能。LNA的指標主要有輸入和輸出的匹配程度、噪聲系數(noise figure，簡稱NF)、增益、線性度和功耗等。對于UWB LNA，除了要求在整個帶寬內具有優良的噪聲性能外，還應具有合適的增益，以抑制后級電路產生的噪聲對有用信號的干擾[2]。此外，功耗、線性度、端口匹配程度等指標存在一定的相互影響，為了滿足實際應用中的整體性能，必須在各個指標之間進行綜合處理。

鑒于此，采用2個NMOS管形成雙反饋結構，在實現滿足輸入匹配的同時，改善電路的噪聲性能；利用電感峰化技術，使LNA在3.1～10.6 GHz具有良好的增益[2-6]；采用電流復用結構，降低電路的整體功耗[2,4,6-7]。在輸出端采用深N阱MOS管進行輸出匹配，克服了利用源極跟隨器作為輸出匹配所帶來的額外功耗浪費，改善了LNA的線性度[3]。

1 UWB LNA分析與設計

UWB LNA電路結構如圖1所示。其中：MOS管M2與M4、電容C3、C5形成的雙負反饋結構，有利于擴展帶寬和完成輸入阻抗匹配；處于諧振狀態的電感L2、L3、電容C2與MOS管M3的柵源電容Cgs3和M1、M3形成的電流復用結構有利于在不增大直流功耗的前提下提高增益；輸出級采用電感峰化技術結合深N阱MOS管M3實現了在3.1～10.6 GHz頻段內的輸出阻抗匹配。

圖1 UWB LNA電路圖

1.1 輸入匹配分析設計

傳統超寬帶低噪聲放大器對輸入匹配常采用的結構有共柵結構和負反饋結構2種。共柵結構能實現在整個超寬帶頻段內良好的輸入匹配，但柵極和源極之間存在的電阻成分使整個電路的噪聲性能劣于負反饋結構。采用NMOS管作為負反饋單元，實現整個頻段內的輸入匹配。UWB LNA的小信號等效電路如圖2所示。

圖2 UWB LNA交流小信號等效電路

由圖2可得Zin=Zin1‖Zin2。

Zin1=

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：C1、Cgs1、Cgs2和Cgs3均為fF級；C2、C4和C5均為pF級；L1、L2、L3和Ls為nH級；R3為數百歐姆。因此，在整個3.1～10.6 GHz超寬帶頻段內，

(6)

通過調整NMOS管M1的寬長比和反饋回路，可使Zin≈50 Ω，實現輸入阻抗匹配。

1.2 電流增益分析

不同于傳統的共源共柵結構，本放大器的UWB LNA結構在共柵級引入LC諧振電路，以改善電路的電流增益。電路的等效小信號模型如圖3所示。

圖3 UWB LNA的等效小信號模型分析

圖3(c)中的Req為MOS管M4等效阻抗，故

Iin=i1+i2，

(7)

(8)

(9)

(10)

其中L2為數十納亨的電感，所以在整個頻段內，當頻率

時，

達到了放大電流的效果。

1.3 噪聲分析

對噪聲的分析主要集中在MOS管的溝道電流熱噪聲對輸出噪聲電壓的貢獻，忽略柵極電阻熱噪聲。包含噪聲源的電路模型如圖4所示。

圖4 包含溝道熱噪聲源的電路模型

由于MOS管M4的溝道電流熱噪聲與M2對輸出端總噪聲的貢獻類似，此處只作定性分析，不作具體分析。因MOS管M1、M2和M3溝道熱噪聲存在非相關性，采用疊加法計算總的輸出噪聲電壓，即

(11)

根據溝道熱噪聲的一般表示式可知：

(12)

(13)

gm3[ro3‖(R2+sL4)]

(14)

(15)

其中：

由式(14)、(15)可看出，MOS管M2產生的溝道熱噪聲抵消了部分M1管產生的溝道熱噪聲。在圖4的噪聲電路模型中，B點處由M2管和M3管產生的噪聲經過M1管放大后，在A點與M1管產生的溝道熱噪聲相位相反，起到了一定的噪聲消除作用。

1.4 輸出匹配分析設計

UWB LNA結構中MOS管M3采用的是深N阱NMOS管，為了保證深N阱與P型襯底與P摻雜之間形成反偏層，需將深N阱接入高電平，如圖1所示。與文獻[3]采用源隨器相比，在滿足輸出匹配的同時，能夠有效降低電路的功耗。

2 電路仿真和結果分析

超寬帶低噪聲放大器基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝，采用Cadence軟件對電路進行仿真。圖5為輸入匹配、輸出匹配的仿真結果。從圖5可看出，在3.1～10.6 GHz頻段內，S11<-10 dB，S22<-9.5 dB，輸入輸出端具有良好的匹配效果。

圖5 輸入匹配和輸出匹配仿真結果

圖6為增益與反向隔離度的仿真結果。從圖6可看出，在整個工作頻段內，電路增益S21為(15.5±1) dB，由于L1、C1、Ls、Cgs1和L2、C2、L3、Cgs3諧振在不同的頻率點，使增益曲線出現2個極大值和1個極小值。通過調整2個不同的諧振頻率點，可以改變帶寬的大小，同時增益平坦度也會受到影響。反向隔離度S12<-27.5 dB。

圖6 正向增益和反向隔離度仿真結果

圖7為噪聲系數仿真結果。從圖7可看出，由外部電源提供偏置電路的噪聲系數要比MOS管M2形成的自偏置的噪聲系數大，這是由于外部偏置的電阻熱噪聲處于輸入級，對電路整體的噪聲性能貢獻較大。而由式(14)、(15)對比可看出，通過M2管提供偏置，可以對主放大管的溝道熱噪聲在A點處形成一定的消除作用，降低電路的輸出噪聲電壓。圖8為輸入三階截點仿真結果。從圖8可看出，在6 GHz頻率處，輸入三階截點為-3.9 dBm。表1為本研究與其他文獻的UWB LNA性能對比。

圖7 噪聲系數仿真結果

表1 本研究與其他文獻的UWB LNA性能對比

圖8 IIP3仿真結果

3 結束語

采用CMOS管作為負反饋，設計了一種工作帶寬為3.1～10.6 GHz的超寬帶低噪聲放大器。利用NMOS管形成偏置回路，在為主放大MOS管提供偏置的同時，改善了輸出端噪聲，降低了電路的復雜度。仿真結果表明，在整個工作頻段內，S11<-10 dB，S22<-9.5 dB，正向增益S21=(15.5±1) dB，噪聲系數NF<2.2 dB，輸入三階截點IIP3=-3.9 dBm，在1.8 V的供電電壓下，直流功耗僅為17.5 mW。