王寧章，高 雅，寧 吉，徐 輝

（廣西大學(xué) 計算機與電子信息學(xué)院，廣西 南寧 530004）

隨著美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)劃分3.1 GHz～10.6 GHz為民用頻譜之后，超寬帶UWB(Ultra-WideBand)技術(shù)因其具有較高的安全性能、較快傳輸速率以及在成本與功耗方面的明顯優(yōu)勢，得到了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，尤其是在無線通信領(lǐng)域[1]。該技術(shù)適用于中短距離傳輸，范圍一般約10 m。UWB低噪聲放大器LNA(Low Noise Amplifier)作為無線接收機中的第一個有源器件，目的是將從天線上接收到的微弱信號進(jìn)行放大，同時盡可能低地引入噪聲，在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。CMOS工藝憑借與數(shù)字基帶電路大規(guī)模集成和低成本兩大自身特點，成為本方案超寬帶、低噪放電路設(shè)計的首選工藝。

目前較流行的實現(xiàn)超寬帶的匹配方法有3種[2]，分別是電阻并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)、LC帶通濾波器。電阻并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的缺點在于引入了熱噪聲，同時寄生電容降低了高頻范圍的性能；分布式結(jié)構(gòu)雖然有高增益及良好的寬頻特性，但是所需的面積較大，難以集成且功耗較大；LC帶通濾波器方法是在國外比較流行的匹配方式，在噪聲和線性度方面都有較好的效果，能夠有效地拓寬頻帶，但是這項研究在國內(nèi)還不太成熟。

本文提出了一種采用0.18μm CMOS工藝在3 GHz～5 GHz的頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)超寬帶、低噪聲放大器的設(shè)計方案。在輸入、輸出匹配中引入較為流行的LC網(wǎng)絡(luò)——二階巴特沃斯帶通濾波器，主體放大器為共源共柵及源極負(fù)反饋電感。該設(shè)計方案獲得了良好的噪聲系數(shù)NF(Noise Figure)，即NF＜1.647 dB，且增益最大為15 dB。

1 電路設(shè)計

1.1 輸入阻抗匹配

完整的電路圖(如圖4所示)中L1、C1、Lg、Ct構(gòu)成了二階巴特沃斯帶通濾波器的輸入匹配。其中Ct=Cp+Cgs1，Cgs1是輸入晶體管M1的柵源極的電容。由于Cgs1的電容值有限，所以加入Cp作為補償電容；Ls是源極負(fù)反饋電感，用來加強增益的平坦度。

輸入匹配等效小信號電路圖如圖1所示，若隔直電容C2忽略不計，則LNA的輸入阻抗為：

其中，W0為中心頻率，本文將頻率設(shè)置在3 GHz～5 GHz，故。由于輸入匹配阻抗Zin達(dá)到50Ω，即Zin=Rs，因此能得到良好的輸入匹配。

柵源電容的計算公式為：

其中，W是M1的柵寬，Cox為單位面積的柵氧化層電容。聯(lián)立式(2)、式(3)可計算出Ls元件值。根據(jù)二階巴特沃斯帶通濾波器元件參數(shù)值，在其基礎(chǔ)上結(jié)合整體電路進(jìn)行微調(diào)，便能得到具體的各個元件值：L1=2.25 nH，C1=580 fF，Lg=2.12 nH，Cp=220 fF。

1.2 輸出匹配

如圖2所示，源極跟隨器M4、電流源I_DC和二階巴特沃斯帶通濾波器組成了放大器的輸出匹配。在一定的電源電壓下，想要驅(qū)動一個低阻抗負(fù)載，需要在放大器后放置一個電壓恒定的元件，本文選用源極跟隨器（即“緩沖器”），使得放大器的輸出電壓不會隨輸出阻抗的變化而變化，保證了放大效果。M4作為緩沖器，為節(jié)省系統(tǒng)功耗，柵寬值應(yīng)較?。浑娏髟碔_DC為源極跟隨器提供電流，取值為4 mA；L22、C22、L33、C33組成了二階巴特沃斯帶通濾波器，目的是保證輸出阻抗為50Ω，改善增益以及減少輸出駐波比。在巴特沃斯帶通濾波器元件參數(shù)值的基礎(chǔ)上，結(jié)合整體電路對各個值進(jìn)行微調(diào)。

圖2 放大器的輸出匹配原理圖

1.3 噪聲分析

放大器電路的總噪聲為：

噪聲主要來源于放大器的第一級網(wǎng)絡(luò)，而第一級網(wǎng)絡(luò)的噪聲為：

其中，Pno是M1管的內(nèi)部噪聲的輸出功率，Pno與放大管的跨導(dǎo)gm成反比關(guān)系；信號源內(nèi)阻的噪聲功率Pso=4KTRsΔf；G是功率增益[3]。

其中，針對0.18μm下的MOSFET，ωT為諧振頻率，假定ωT=2π×80 GHz，=1.5，gdo是源漏電壓為0時的輸出跨導(dǎo)，μn是電子遷移率，Esat表示溝道飽和電場。式(6)～式(8)表明，主要影響系統(tǒng)最小噪聲的是M1放大管的柵寬值W，即設(shè)計合理的柵寬大小是這一部分的難點。由圖3仿真結(jié)果得知，W分別取200μm、220μm、240μm、260μm時，噪聲范圍曲線隨著W的變大而變小；同時W的取值也不能太大，因為W太大會嚴(yán)重惡化輸入回波損耗S11的值，同時也影響到放大器的增益值。綜合多個因素，M1的柵寬值取240μm。

1.4 CMOS LNA設(shè)計

圖4展示了完整的放大器電路圖，R1、M3、Rf組成了簡單的偏置電路，用來確定靜態(tài)工作點。晶體管MI與M3形成了電流鏡，Rf是阻值較大的電阻，一般為2.5 kΩ～3 kΩ，目的是減少偏置電路的電流對主體放大器的影響。作為偏置電路，為了減少整個系統(tǒng)的功耗，M3的柵寬值較小。L1、C1、Lg、Cp組成了二階巴特沃斯帶通濾波器。LS是源極負(fù)反饋電感，構(gòu)成去耦電路，降低系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)Q值，增加了增益的平坦度。M1和M2組成了共源共柵電路，M2管能有效地減少M1管的柵漏電容引起的密勒效應(yīng)，且在工作頻段能夠提供比較高的增益和穩(wěn)定性。Cm是隔直電容，用來減少晶體管M1的漏極與M2的柵極之間存在的寄生電容，可以優(yōu)化噪聲。Ld作為輸出負(fù)載，與輸出寄生電容產(chǎn)生諧振，減小噪聲系數(shù)，Co為耦合電容，Ld與Co共同組成了耦合負(fù)載電路。I_DC為M4放大管提供電流，M4、L22、C22、L33、C33組成了輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，提高了匹配程度。

2 ADS仿真結(jié)果與分析

本文采用ADS平臺對所設(shè)計的3 GHz～5 GHz頻帶內(nèi)的超寬帶、低噪聲放大器進(jìn)行仿真，衡量放大器的主要指標(biāo)包括S參數(shù)、噪聲系數(shù)、穩(wěn)定性、線性度。

(1)S參數(shù)分析

S11、S22代表輸入、輸出的回波損耗。 如圖5所示，在3 GHz～5 GHz頻帶范圍內(nèi)S11＜-10.185 dB，S22＜-14.544 dB，結(jié)果表明放大器輸入、輸出匹配良好。如圖6所示，在3 GHz頻率點上，增益S21為12.295 dB；在5 GHz頻率點上，增益為15.170 dB，帶內(nèi)增益波動小于3 dB，表明增益較平坦，保證了放大器的放大效果。

圖6 S21仿真結(jié)果圖

(2)噪聲系數(shù)分析

放大器對噪聲系數(shù)有較嚴(yán)格的要求，噪聲的大小決定了放大器的靈敏度。如圖7所示，噪聲系數(shù)nf(2)在5 GHz頻率點（最大點）為1.647 dB，NFmin在5 GHz頻率點（最大點）為1.324 dB，達(dá)到了較好的指標(biāo)。

圖7 噪聲系數(shù)結(jié)果圖

(3)穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是電路正常工作的必要條件。在3 GHz～5 GHz之間stabFact1均大于1，如圖8所示?？梢奓NA是無條件穩(wěn)定的；仿真線性度1 dB壓縮點為-5.388 dB，表明了電路有較好的線性度。表1給出了與近期公開發(fā)表的CMOS超寬低噪放設(shè)計結(jié)果進(jìn)行的比較，由表中可見，該設(shè)計的突出特點為在保證了增益等指標(biāo)的前提下，噪聲系數(shù)達(dá)到了比較好的效果。

圖8 穩(wěn)定性指標(biāo)仿真圖

表1 超寬帶、低噪聲放大器結(jié)果

本文設(shè)計了一款具有較低噪聲的UWB LNA，提出了輸入、輸出匹配均采用巴特沃斯帶通濾波器完成的電路；同時結(jié)合共源共柵及源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的特點，合理地選擇柵寬大小，大大減少了噪聲干擾。仿真結(jié)果表明，在3 GHz～5 GHz范圍內(nèi)，增益大于12 dB且增益平坦，有效抑制了后級混頻器的噪聲，噪聲系數(shù)小于1.647 dB，在設(shè)計的頻率范圍內(nèi)只有0.5 dB的變化；在1.8 V電壓下，功耗為13.2 mW，該電路具有一定的應(yīng)用價值。

[1]何小威，李晉文，張民選.1.5～6 GHz增益和噪聲系數(shù)穩(wěn)定的兩級超寬帶CMOS低噪聲放大器設(shè)計與性能模擬[J].電子學(xué)報，2010，38(7)：1668-1672.

[2]KIM C W，KANG M S，ANH P A，et al.An ultra-wideband CMOS low noise amplifier for 3～5 GHz UWB system[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2005，40(2)：544-547.

[3]桑澤華，李永明.一種應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)的寬帶LNA的設(shè)計[J].微電子學(xué)，2006，36(1)：114-117.

[4]華明清，王志功，李志群.0.18μm CMOS 3.1～10.6 GHz超寬帶低噪聲放大器設(shè)計[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報，2007，36(12)：44-47.

[5]GALAL A I A，POKHAREL R K，KANAYA H，et al.3～7 GHz low power wide-band common gate low noise amplifier in 0.18μm CMOS process[C].On Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference，2010：342-345.