基于3.1 ～10.6 GHz CMOS 超寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)

趙小榮， 范洪輝， 朱明放， 傅中君， 黃海軍， 陳鑒富

(江蘇理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 常州213001)

美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)于2002 年定義了室內(nèi)使用的超寬帶頻段，即3.1 ～10.6 GHz，頻帶寬度達(dá)7.5 GHz［1］。近年來，采用3.1 ～10.6 GHz UWB 技術(shù)越來越流行，尤其是在無線通信領(lǐng)域。與現(xiàn)有的無線通信技術(shù)相比，UWB 技術(shù)具有功耗低，傳輸速度快、抗干擾性強(qiáng)、低成本、多徑衰減魯棒性和安全性高等優(yōu)點(diǎn)［2-3］，UWB 技術(shù)越來越被廣泛應(yīng)用于短距離高速數(shù)據(jù)傳輸和軍事通信應(yīng)用中。

作為接收機(jī)前端的一個(gè)重要組成部分，低噪聲放大器的性能直接影響著整個(gè)接收機(jī)性能。判斷設(shè)計(jì)的UWB LNA 性能好壞，主要是看是否具有足夠正向增益，良好的增益平坦度，良好的反向隔離度，穩(wěn)定度，低電源供電，低功耗，良好的線性度和理想的噪聲系數(shù)(noise factor，NF)。這些特性要求從不同方面給UWB LNA 設(shè)計(jì)者提出了挑戰(zhàn)［1］。

在UWB LNA 設(shè)計(jì)中，阻抗匹配和噪聲匹配設(shè)計(jì)至關(guān)重要。至今，人們已提出了多種CMOS 技術(shù)和拓樸結(jié)構(gòu)。如:傳統(tǒng)的分布式放大器，負(fù)反饋技術(shù)，電流復(fù)用技術(shù)，跨導(dǎo)增強(qiáng)技術(shù)，帶通濾波器技術(shù)等。因?yàn)楣矕?Common-Gate，CG)結(jié)構(gòu)能夠更好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，具有更好的線性度，更小的功耗和比共源結(jié)構(gòu)更好的輸入輸出隔離度結(jié)構(gòu)，因此CG 結(jié)構(gòu)在UWB LNA 中的應(yīng)用變得越來越流行。然而，CG結(jié)構(gòu)同樣存在電壓增益不夠和噪聲大的缺點(diǎn)。為了解決這一問題，文中設(shè)計(jì)了一個(gè)新的輸入匹配電路以降低電路噪聲，采用兩級放大器形式解決CG 結(jié)構(gòu)電壓增益不夠的問題，其中電路的第二級采用了共源(Common-Source，CS)結(jié)構(gòu)提高電路的增益。

文中的UWB LNA 輸入端采用CG 型拓樸結(jié)構(gòu)，通過電阻、電感和電容實(shí)現(xiàn)電路的輸入匹配，利用電流復(fù)用技術(shù)降低整個(gè)電路的功率，第二級采用CS型拓樸結(jié)構(gòu)提高電路的增益。本低噪聲放大器運(yùn)用TSMC 0.18 μm CMOS 工藝設(shè)計(jì)完成。

1 電路設(shè)計(jì)與分析

1.1 電路分析

接收機(jī)的靈敏度主要由LNA 的噪聲系數(shù)和功率增益決定。LNA 的噪聲系數(shù)顯著地影響了整個(gè)接收機(jī)的噪聲性能。對于多級放大器而言，其噪聲系數(shù)可以用以下公式表示［4］:

其中:NF 為整個(gè)低噪聲放大器的噪聲系數(shù);NFn為第n 級放大器的噪聲系數(shù);G1，G2…Gn－1分別為第1，2 ～n －1 級功率增益。由式(1)可知，多級放大電路的噪聲性能主要取決于電路的第一級的噪聲系數(shù)。所以，在進(jìn)行電路匹配設(shè)計(jì)時(shí)，第一級的輸入匹配設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

對于CG 結(jié)構(gòu)的放大器而言，由于共柵放大器輸入端的阻抗實(shí)部為晶體管的跨導(dǎo)倒數(shù)，該值在較大的頻帶范圍內(nèi)可以提供穩(wěn)定的輸入阻抗實(shí)部，所以CG 結(jié)構(gòu)在超寬帶中得到廣泛應(yīng)用。普通CG 型結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，在頻率比較高時(shí)，晶體管源級進(jìn)去的輸入阻抗Zin可以表示為

式中:gm1為晶體管M1的跨導(dǎo);r0為晶體管M1的電阻。

通過選擇合適的晶體管寬長比和偏置電流設(shè)置gm的大小，CG 型結(jié)構(gòu)放大器能夠很好地實(shí)現(xiàn)與50 Ω 的輸入阻抗匹配。CG 結(jié)構(gòu)利用跨導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)很寬的輸入匹配，但是為了滿足良好的阻抗匹配，跨導(dǎo)只能設(shè)計(jì)為固定值(通常為20 ms)。隨著頻率的變化，跨導(dǎo)也會(huì)變化。CG 型結(jié)構(gòu)低噪聲放大器電壓增益和噪聲系數(shù)都會(huì)隨gm的變化而變化。電壓增益與gm成正比，噪聲系數(shù)與gm成反比。為了減小gm變化對增益和噪聲影響，提出了如圖1(b)所示電路，同時(shí)利用Rs，Ls和Cgs實(shí)現(xiàn)輸入端的匹配。

圖1 共柵拓樸結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the CG LNA topologies

圖2 是圖1(b)的小信號等效電路圖。

圖2 圖1(b)電路的小信號等效模型Fig.2 Equivalent small signal model of the circuit in Fig.1(b)

圖2(a)可以通過電路的串并聯(lián)轉(zhuǎn)換變?yōu)閳D2(b)，這時(shí)電路的輸入阻抗可以表示為

其中，Cgs1為晶體管M1的柵源端的等效寄生電容。當(dāng)Ls= Cgs1時(shí)，輸入阻抗可以表示為

這樣gm1就不再需要固定為20 ms 了，只要Rp值作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，便可以降低由于gm1的變化對增益與噪聲的影響。從而實(shí)現(xiàn)良好的輸入匹配，降低第一級的噪聲系數(shù)。電路可以通過改變Rs的值實(shí)現(xiàn)輸入回波損耗與電路增益和噪聲之間的權(quán)衡。

電路的穩(wěn)定度是設(shè)計(jì)放大器必須考慮的指標(biāo)，如果電路不穩(wěn)定容易形成電路的自激振蕩。穩(wěn)定度是判斷放大否穩(wěn)定的指標(biāo)，具體可用以下公式表示:當(dāng)K ＞1 時(shí)，電路無條件穩(wěn)定。

1.2 電路設(shè)計(jì)

由于單級CG 結(jié)構(gòu)放大器不能提供足夠的增益，因此文中所設(shè)計(jì)的UWB CG-LNA 采用多級結(jié)構(gòu)。UWB LNA 電路如圖3 所示。第一級輸入端晶體管M1采用CG 輸入，通過對LS，RS以及晶體管W/L(可以通過改變W/L 的值實(shí)現(xiàn)改變晶體管的跨導(dǎo))值的設(shè)置能很好實(shí)現(xiàn)了輸入匹配;第二級晶體管M2采用共源(Common-Source，CS)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了增益的提高。電感Ld和Lg、電容Cg和電阻Rd實(shí)現(xiàn)了CG 級與CS 級之間級間匹配。另外電容Cg作為理想的耦合電容可以降低級間噪聲，通過加入RL，LL和LC可以提高第二級CS 電路的增益。當(dāng)電感Ld、晶體管M1的寄生電容與晶體管的源極在3.1 GHz 時(shí)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，電感LC和晶體管M3的柵源電容Cgs3在10.6 GHz 產(chǎn)生諧振時(shí)，放大器可以在3.1 ～10.6 GHz 頻帶內(nèi)保持理想的增益平坦度。晶體管M1和M2之間采用了電流復(fù)用技術(shù)，大幅度降低電路功耗。

圖3 UWB LNA 電路Fig.3 Schematic of the proposed UWB LNA

2 仿真結(jié)果與分析

文中設(shè)計(jì)UWB LNA 采用TSMC 0.18μm RF CMOS 工藝完成，電路通過ADS2009 仿真，S21與S12的仿真曲線如圖4 所示，S11與S22的仿真曲線如圖5所示。

圖4 S21 與S12 仿真曲線Fig.4 Simulation curves of S21 and S12

圖5 S11 與S22 仿真曲線Fig.5 Simulation curves of S11 and S22

由圖4 可以看出，在3.1 ～10.6 GHz 頻帶內(nèi)，正向增益S21達(dá)到20.951 ～23.951 dB，增益平坦度良好，在3.1 GHz 時(shí)達(dá)到最大增益為23.951 dB;反向隔離度S12在帶內(nèi)低于－44.436 dB。

由圖5 可以看出，電路在整個(gè)帶寬內(nèi)，輸入返回?fù)p 耗 小 于 － 15.14 dB， 輸 出 返 回 損 耗 低于－20.202 dB。

圖6 為電路穩(wěn)定度的仿真曲線，圖7 為電路噪聲的仿真曲線。

圖6 電路穩(wěn)定度仿真曲線Fig.6 Simulation curves of stable factor

圖7 電路噪聲仿真曲線Fig.7 Simulation curves of noise factor

由圖6 可以看出，所設(shè)計(jì)UWB LNA 在整個(gè)帶寬內(nèi)穩(wěn)定度都大于1，電路無條件穩(wěn)定。

由圖7 可以看出，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，電路在整個(gè)頻帶內(nèi)噪聲性能良好，噪聲系數(shù)為0.944 ～1.625 dB。

表1 給出文中所設(shè)計(jì)3.1 ～10.6 GHz UWB LNA 與近幾年所發(fā)表論文中設(shè)計(jì)的UWB LNA 性能的比較。

由表1 可以看出，文中實(shí)現(xiàn)的LNA 增益比其他的LNA 更高，NF 比其他的LNA 更低，其他性能也可以和別的LNA 相比擬，但功率消耗有點(diǎn)高。

表1 3.1 ～10.6 GHz CMOS UWB LNA 的性能比較Tab.1 Comparison between the design used in this study and others reported based on 3.1 ～10.6 GHz in literature

3 結(jié) 語

文中所設(shè)計(jì)的3.1 ～10.6 GHz 的UWB LNA 由兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，在電路第一級采用了共柵型結(jié)構(gòu)完成寬帶輸入匹配。為了改進(jìn)共柵型放大器的噪聲系數(shù)，提出了在常用共柵放大器源極加入串聯(lián)電阻與電感，從而通過改變串聯(lián)電阻值的大小改變放大器的輸入回波損耗和噪聲系數(shù)的值。利用電流復(fù)用技術(shù)降低了整個(gè)電路的消耗功率，通過共源共柵結(jié)構(gòu)和良好的級間匹配電路設(shè)計(jì)改善了共柵結(jié)構(gòu)帶來的增益不足的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電路在1.8 V 供電下，整個(gè)電路消耗功率在15.6 mW 左右，在3.1 ～10.6 GHz 的頻帶內(nèi)增益S21= 21.451 ±1.5 dB，噪聲系數(shù)NF 為1.284 5 ±0.340 5 dB，輸入回波損耗均低于－ 15.14 dB，輸出回波損耗低于－20.202 dB。這些性能可以和其他已發(fā)表的CMOS UWB LNA 相比擬，同時(shí)為UWB LNA 提供了一種新的選擇。

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