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(shù)作為一種低功耗、短距離互聯(lián)技術(shù)，近些年來(lái)得到了飛速的發(fā)展［1－2］。美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)規(guī)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(hào)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(gè)接收系統(tǒng)的性能。為了使LNA在頻帶內(nèi)噪聲性能良好，很多學(xué)者采用了各種結(jié)構(gòu)，如宋睿豐等人所使用的基于0．35 μm SiGe HBT工藝的電阻并聯(lián)負(fù)反饋共源共柵結(jié)構(gòu)，盡管功耗很低，但其噪聲最小值在3．1 GHz～10．6 GHz范圍內(nèi)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(fù)反饋的噪聲抵消結(jié)構(gòu)，盡管輸出匹配很好，但噪聲在0．7 GHz～6．5 GHz內(nèi)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(dǎo)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其噪聲在3．1 GHz～10．6 GHz內(nèi)大于4．5 dB［5］，噪聲系數(shù)都不盡如人意。本文采用0．18 μm TSMC CMOS工藝，對(duì)超寬帶低噪聲放大器進(jìn)行研究，提出了一款基于新型噪聲抵消機(jī)制的電路結(jié)構(gòu)。其工作電壓為1．8 V，噪聲系數(shù)在頻帶范圍為內(nèi)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(shè)計(jì)，第2部分展示電路驗(yàn)證結(jié)果，最后為結(jié)論部分。

1　電路原理與設(shè)計(jì)

本節(jié)敘述噪聲抵消機(jī)制電路的原理與設(shè)計(jì)思路。圖1為整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)示意圖，該電路由三級(jí)組成，即輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)。輸入級(jí)采用了互補(bǔ)式共柵結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣矕沤Y(jié)構(gòu)在寬帶范圍內(nèi)都具有良好的輸入匹配，輸入阻抗約為1/gm。M3和M4為跨導(dǎo)增強(qiáng)管，提高輸入級(jí)的整體跨導(dǎo)。中間級(jí)放大器具有較高的增益，級(jí)聯(lián)中間級(jí)放大器，使得增益達(dá)到一定的值，適用于接收系統(tǒng)。輸出級(jí)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(jié)構(gòu)示意圖

1．1輸入級(jí)的噪聲抵消結(jié)構(gòu)

如圖2所示，由于LS3和LS4較小，計(jì)算時(shí)忽略，該結(jié)構(gòu)的跨導(dǎo)為:

圖2　輸入級(jí)放大器信號(hào)噪聲示意圖

由晶體管M1產(chǎn)生的溝道噪聲電流= 4kTγgm1將會(huì)在M1管的源極產(chǎn)生噪聲電壓，可以通過(guò)電感Lin和Cblock傳到M3和M4的柵極，M1和M2公用一個(gè)源極即A點(diǎn)，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(chǎn)生大小受控電流?，經(jīng)過(guò)放大在B點(diǎn)輸出其表達(dá)式如式(3)所示，而M1在漏極產(chǎn)生噪聲電壓，如式(4)所示。同理，M2的溝道噪聲經(jīng)過(guò)M1和M4放大在B點(diǎn)輸出如式(5)所示，而M2在漏極產(chǎn)生的噪聲電壓如式(6)所示。

為了使溝道噪聲抵消，應(yīng)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(hào)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(jí)，放大器寬帶內(nèi)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(diào)節(jié)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(jí)放大器設(shè)計(jì)

為了提高增益系數(shù)增加了中間級(jí)放大器，并通過(guò)并聯(lián)電感LD5引入零點(diǎn)，拓展帶寬。如圖1所示，計(jì)算得中間級(jí)放大器的增益為:。

1．4輸出級(jí)放大器的設(shè)計(jì)

圖1所示輸出級(jí)放大器。前面兩級(jí)的增益系數(shù)已經(jīng)足夠大，所以，最后一級(jí)需具有良好的輸出匹配。輸出阻抗匹配可由S參數(shù)來(lái)表征，其中。此時(shí)，Zout=1/ gm6，調(diào)整M6管的柵寬，使S22符合要求。

1．5放大器的整體增益

根據(jù)圖1可得到該UWB LNA的整體增益由前面兩級(jí)構(gòu)成，未加入電感Lin時(shí)，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(bǔ)償電感Lin后增益為:

由式(9)可以知道，在工作頻帶范圍內(nèi)存在一個(gè)極點(diǎn)sLD4+RD4=0。插入電感Lin后，該零點(diǎn)變化為。該零點(diǎn)為共軛零點(diǎn)，實(shí)部可以表示為。這兩個(gè)極點(diǎn)出現(xiàn)在工作頻帶以外的高頻部分，相對(duì)于原來(lái)的電路來(lái)說(shuō)在工作頻帶范圍內(nèi)，極點(diǎn)減少了。因此，該放大器在寬帶范圍內(nèi)的增益隨頻率變化不會(huì)那么明顯，提高了該UWB LNA的整體增益平坦度。源極負(fù)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(dǎo)增強(qiáng)支路所產(chǎn)生的噪聲，只考慮熱噪聲。多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)后的噪聲系數(shù)為:

GAi為第i級(jí)放大器的資用功率增益，F(xiàn)Ni為第i

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

與輸出級(jí)一樣，由于前面兩級(jí)的增益較高，因此要被忽略。由此推算噪聲系數(shù)為:

2　UWB LNA驗(yàn)證結(jié)果

本文提出的UWB LNA采用0．18 μm TSMC CMOS工藝進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖3為UWB LNA的噪聲系數(shù)，在4 GHz～10 GHz范圍內(nèi)噪聲系數(shù)介于2．1 dB～2．4 dB。圖4為S參數(shù)示意圖，其中S11和S22在工作頻帶范圍內(nèi)均小于－10 dB。在沒(méi)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(nèi)，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(shù)仿真結(jié)果

圖4　S參數(shù)仿真結(jié)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(shí)，IIP3約為－7 dBm。

如圖6所示，是整個(gè)放大器的版圖。從左到右依次為:輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)。版圖的信號(hào)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(yù)期。整個(gè)芯片面積為1．5 mm×1．5 mm。

表1對(duì)本文的UWB LNA進(jìn)行了性能總結(jié)，同時(shí)和其他的CMOS寬帶LNA進(jìn)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(jié)果

圖6　整個(gè)放大器的版圖

表1　各種LNA的比較

3　結(jié)論

本論文提出了一款具有新型噪聲抵消電路結(jié)構(gòu)的超寬帶低噪聲放大器(UWB LNA)，它由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)組成。由于在輸入級(jí)采用噪聲抵消支路，該放大器在整個(gè)寬帶范圍內(nèi)噪聲都很小。在4 GHz～10 GHz范圍內(nèi)，噪聲只介于2．1 dB～2．4 dB。輸入級(jí)串聯(lián)電感，使該放大器在工作頻帶范圍內(nèi)增益只波動(dòng)了0．6 dB。中間級(jí)采用并聯(lián)電感手段，拓展了放大器的帶寬。輸出級(jí)為源級(jí)跟隨器，為放大器提供了良好的輸出阻抗匹配。整個(gè)放大器的增益在工作頻帶內(nèi)達(dá)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(xiàng)參數(shù)性能良好，適用于射頻接收機(jī)的前端。

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

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邵翔鵬(1990－)，男，漢族，江蘇省宿遷市人，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯漕l集成電路，singasin@ sina．com;

張萬(wàn)榮(1964－)，男，河北省人，教授，博士生導(dǎo)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(shù)的超寬帶低噪聲放大器*

邵翔鵬，張萬(wàn)榮*，丁春寶，張卿遠(yuǎn)，高棟，霍文娟，周孟龍，魯東
(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124)

實(shí)現(xiàn)了一款超寬帶低噪聲放大器(UWB LNA)。該UWB LNA由輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)組成。在輸入級(jí)，采用兩個(gè)共柵配置構(gòu)成了噪聲抵消技術(shù)，減少了噪聲，在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用了跨導(dǎo)增強(qiáng)技術(shù)，提高了增益。同時(shí)插入的電感Lin提高了LNA在寬帶范圍內(nèi)的增益平坦度。中間級(jí)放大器，在漏極并聯(lián)電感產(chǎn)生零點(diǎn)，提高了LNA的帶寬。輸出級(jí)為源極跟隨器，較好實(shí)現(xiàn)了LNA的阻抗匹配?；?．18 μm TSMC CMOS工藝仿真驗(yàn)證表明，在4 GHz～10 GHz頻帶范圍內(nèi)，電壓增益(S21)為(19．2±0．3)dB，噪聲系數(shù)(NF)介于2．1 dB～2．4 dB之間，輸入、輸出反射系數(shù)(S11、S22)均小于－10 dB。在9 GHz時(shí)，輸入三階交調(diào)點(diǎn)(IIP3)達(dá)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(dǎo)增強(qiáng):超寬帶;CMOS

TN722．3

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:1005－9490(2015)01－0074－04

2014－03－03修改日期:2014－03－26

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60776051，61006044，61006059);北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(4142007);北京市教委科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(KM200710005015，KM200910005001);北京市優(yōu)秀跨世紀(jì)人才基金項(xiàng)目(67002013200301)