抗干擾全集成超寬帶低噪聲放大器的設計

高宇飛，雷倩倩，潘誠，劉啟航

（西安工程大學 理學院，陜西 西安 710048）

近年來，超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）無線通信技術因高速、低功耗和低成本等特點被應用于各類商業領域[1-2]，由于UWB 技術具有帶寬大、工作頻率高的特點，因此要求用于該協議的LNA 能夠在數吉赫茲的頻段內作到輸入匹配，并具有高增益、低噪聲、低功耗、小面積的特性[3]。在城市電磁環境中，5～6 GHz 范圍內分布著相對于UWB 頻譜的窄帶干擾信號，因此需要對其進行濾除，可以采用片外濾波器和片上濾波器。前者濾波效果好，但無法做到全集成；后者通過在LNA 中集成陷波濾波器，以微小的面積和功耗代價，實現了全集成和低噪聲[5-19]。

文中設計了一款6.5～10 GHz 的抗干擾UWB LNA，采用了片上無源陷波濾波器以濾除5～6 GHz帶外噪聲，在實現了全集成的同時獲得了良好的噪聲表現和增益表現。為了拓展帶寬，在LNA 中采用了并聯反饋結構和并聯峰化結構。

1 電路設計與分析

1.1 LNA整體電路設計

所設計的LNA 整體結構如圖1 所示，包括LNA主電路、匹配電路和偏置電路。LNA 主電路分為兩級：第一級采用電阻反饋共源共柵結構來實現高帶寬和高增益；第二級采用共源結構進一步提升整體的增益，并提供一定的輸出匹配。片上陷波濾波器集成在M1 的漏端，由片上電感L1和可調諧電容陣列C1構成。在LNA 第一級中采用了由C2、可調電阻R1構成的并聯電阻反饋結構和由L2、R2組成的并聯峰化技術來實現寬帶。在偏置方面，第一級輸入管M1需要較為準確的偏置點來保證增益和提高噪聲性能，所以采用運放OP1 來鉗制M5 和M1 組成的電流鏡，從而提高電流復制的準確度。由于該LNA 工作頻率高、帶寬大，因此設計了LC濾波器匹配電路以滿足寬帶輸入匹配的需求。

圖1 LNA整體電路圖

1.2 陷波濾波器的分析與設計

圖1 中的電感L1和可調諧電容陣列C1構成了片上陷波濾波器，在電感和電容的諧振頻率下，該濾波器會將信號電流導入到地，從而實現濾波功能。

1.2.1 片上電感分析

實際的一階LC串聯諧振電路的等效電路如圖2所示。圖中展示了對電感Q值影響較大的寄生參數，其中Cp是并聯寄生電容，R是串聯寄生電阻，Cb1和Cb2是襯底寄生電容。該工藝中采用了襯底隔離技術，可以減小襯底損耗對電感Q值的影響，并提高自諧振頻率，降低了Cb1和Cb2的影響。

圖2 考慮電感寄生時陷波濾波器的等效電路

式（1）為考慮寄生時，從濾波器輸入端看進去的等效表達式。其中Cpb=Cp+Cb1。式（2）為諧振時的等效輸入阻抗的實部。在C的取值遠大于Cpb時，式（2）分母中第一項(1-Cpb/C)2將趨近于1，第二項R2C2pb/LC趨近于0，在該條件下諧振電路等效阻抗的實部約等于定值R，諧振時Znotch不等于零，其實部直接限制了LC電路的Q值，以至于濾波深度有限且帶寬較大。

1.2.2 陷波濾波器電路設計

式（3）是RLC串聯諧振電路的Q值表達式，其中R表示電感寄生電阻。由式（3）可知濾波器的Q值和LC的取值相關。矛盾的是，要使L盡量大、C和R盡量小才能實現較大的Q值，但較大的L意味著較大的R。因此需要通過仿真進一步尋找最佳的LC搭配。將電感的Q值固定為15，對不同LC取值的濾波效果進行仿真，結果如圖3 所示。

圖3 電感Q=15時，不同LC取值對應的濾波效果

結合濾波深度和帶寬的綜合考慮，最終確定L=2 nH，C=376 fF 可以實現近似15 dB 的干擾抑制度，同時滿足UWB 所需帶寬。考慮工藝和溫度對無源器件的影響，設計3 位控制字的可調諧電容陣列，以求能在全部工藝角和溫度以及電源電壓的變化下將濾波頻率穩定在5.8 GHz。仿真結果如圖4 所示，通過調諧，陷波濾波器可提供5.1～6.6 GHz的抑制頻率。

圖4 不同控制字下陷波濾波器的濾波表現

1.3 LNA的寬帶設計

在LNA 并聯反饋共源共柵結構的基礎上，采用并聯峰化技術來拓展LNA 的帶寬。圖5 是其示意圖，其中C表示輸出節點的等效電容。

圖5 采用并聯峰化諧振負載的共源共柵高頻放大電路

式（4）是負載阻抗的表達式，ro表示從輸出節點看向輸入節點的阻抗，其值非常大，一般可忽略。將s=jω帶入式（4）中得到式（5）所示的ZL和頻率的關系。式（5）分子中的(ωL/R)2和分母中的(ωRC)2與(1-ω2LC)2共同補償了ZL隨頻率的變化，有效擴展了帶寬。

2 建模與仿真結果

采用SMIC 28 nm CMOS工藝，利用Cadence Virtuoso軟件對LNA 進行了仿真，采用EMX 軟件對電路進行了電磁建模。電磁建模前后仿真結果對比如圖6 所示，其中建模后的曲線為實心標注，建模前為空心標注。由圖6 可知，所設計的LNA 在5.8 GHz 處可提供14.6 dB 的噪聲抑制。受5.8 GHz 噪聲抑制特性的影響，該頻率下的噪聲和S11 曲線有凸起，符合預期。增益方面，對LNA 進行電磁建模前后S21 分別為23.77～25.06 dB 和22.77～24.51 dB，噪聲系數建模前后分別為2.11～2.57 dB 和2.35～2.82 dB，由于寄生電容的存在，建模后高頻處噪聲惡化較多。由于電感寄生對匹配電路影響較大，S11 和S22 變化較大，但整體仍符合小于-10 dB 的要求。

圖6 EMX建模前后仿真結果對比

表1 是所設計的LNA 和其他具有片上濾波器的超寬帶LNA 性能對比。其他LNA 的噪聲系數仿真結果普遍超過5 dB，增益均不超過24 dB，而該設計的噪聲系數較小，介于2.35 dB 到2.82 dB之間，且在僅消耗10.7 mW 的功耗的情況下實現了24.51 dB 的增益。

表1 文中LNA與其他帶有片上陷波濾波器的LNA的性能指標對比

3 結論

基于SMIC 28 nm CMOS工藝，利用Cadence Virtuoso軟件設計了一種具有帶外噪聲信號抑制功能的全集成可調諧的適用于超寬帶無線通信技術低噪聲放大器，并對其進行了電磁建模和仿真分析。仿真結果表明，所設計的低噪聲放大器在增益、噪聲系數和匹配度方面性能較優，尤其是噪聲較低時，帶內噪聲系數較小，介于2.35 dB 到2.82 dB 之間，而在包含偏置電路時的直流功耗僅為10.7 mW。同時，該設計采用了并聯峰化技術拓展了LNA 的頻寬，能夠很好地滿足UWB 上邊帶通信協議的要求。