文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)09-0053-03
超帶寬UWB（Ultra-Wideband）技術具有抗干擾能力強、傳輸速率高、帶寬極寬、功耗傳輸低等優勢，近年來已成為國內外的研究熱點，并在短距離傳輸、高速無線LAN和成像處理等領域得到了廣泛應用[1]。不論在傳統的無線接收結構還是在UWB接收系統中，低噪聲放大器LNA(Low-Noise Amplifier)作為射頻前端的關鍵器件，有著至關重要的作用。其可在盡可能低地引入額外噪聲的情況下放大微弱信號，同時具有良好的噪聲性能、合理的平坦增益、良好輸入輸出匹配程度和較高的線性度等特性。
在傳統的UWB LNA設計中，一般采用分布式和并聯電阻反饋式技術。分布式技術具有較好的寬帶特性和輸入匹配特性，但功耗和芯片面積較大，并且噪聲系數NF（Noise Figure）較高。而反饋式技術的額外電阻會導致噪聲性能的惡化，因此不太適合LNA設計。濾波器匹配結構是目前較流行的UWB LNA結構，其擁有良好的增益平坦度和較優的噪聲性能等優點，而窄帶PCSNIM結構的NF、輸入輸出阻抗匹配和功耗等指標性能較好。因此，本文設計思路是在窄帶PCSNIM LNA的輸入輸出端引入高階帶通濾波器，這樣既保證了噪聲性能、阻抗匹配和功耗等指標不被惡化，更能拓展系統的寬帶。實驗結果表明，此方案取得了不錯的效果。
1 超寬帶低噪聲放大器（UWB LNA）的提出
UWB LNA的電路如圖1所示，其中I_DC、M3和R1構成偏置電路，I_DC提供穩定的偏置電流，其值為60 μA。晶體管M1與M3在直流工作時形成電流鏡；電阻R1可減少偏置電路對輸入的影響并補償M3管的柵源極電容（Cgs）效應，其取值為3 000 Ω；NMOS型的 M1管源極接源簡并反饋電感Ls，構成去耦電路，以降低系統Q值和系統功耗；附加電容Ce可優化噪聲系數和Ls值，從而減少系統的芯片面積；分立元件L1、L2、L3、C1和C0構成五階T型LC濾波網絡，以拓展輸入匹配網絡的寬帶； M2提供良好的反向隔離度，并能有效抑制M1管的Miller效應；為折中考慮噪聲性能和功耗等指標，需合理選擇M1和M2管的柵寬，一般取M1和M2尺寸相同(為80 μm)； M1和M2的級間匹配由Lm和Cm構成，能彌補電容Ce引起的增益下降，并可適當優化電路的噪聲性能；M2漏端L4、Rd和C2形成并聯低Q值負載結構，以提高輸出網絡匹配程度和減少輸出回波損耗。此外，電阻Rd還可提高電路的穩定度； C3、C4、C5、L5和L6構成五階T型LC濾波網絡，具有擴展輸出帶寬和選頻的功能。
2 理論分析
圖2為典型的窄帶PCSNIM LNA電路結構。簡并電感LS值在不是很大情況下，能較容易地實現噪聲和輸入阻抗的同時匹配，并能降低系統的功耗。然而LS不能太大，否則會導致電路噪聲系數的惡化。為解決功耗和噪聲性能相互矛盾的問題，可在晶體管M1的柵源極并聯一附加電容Ce。LS和最小噪聲系數表達式如下：
其中，c為柵-漏極噪聲的相關系數；δ為與工藝相關的噪聲參數，且δ=2γ；ωT為特征頻率，取決于CMOS工藝而與晶體管尺寸無關；Ct=Ce+Cgs，Cgs≈(2/3)WLCOX。由式(2)可以看出，最小噪聲系數表達式不包含Ce，說明額外電容Ce并沒有惡化LNA的噪聲性能，且與電感LS成反比，從而達到穩定噪聲因子Fmin的目的。
在理想的輸入阻抗匹配條件下，UWB LNA電壓增益Av與Ct的平方根成反比，說明引入Ce后，系統的增益會隨之降低。由于M1的輸出阻抗和M2的輸入阻抗都呈容性[2]，為解決Ce所引起的電壓增益下降的問題，可在晶體管M1和M2之間引入一并聯電感Lm和電容Cm，級間匹配如圖3所示，電感Lm和電容Cm與Cgs2（M2柵源極寄生電容）、Cgd1（M1柵漏極寄生電容）諧振，抵消Cgd1所引起的M1輸出容抗與Cgs2引起的M2輸入容抗，進而提高系統增益和優化噪聲性能。
3 輸入匹配網絡的設計
為完成寬帶的輸入阻抗匹配，可在輸入端引入L2、L3和C0以構成三階T型LC濾波網絡，并在此基礎上通過加入無源器件L1和C1來擴展UWB的寬帶，如圖4所示。窄帶PCSNIM LNA的輸入匹配阻抗Zin由式(3)確定[3]：
4 仿真結果分析
設計了一個基于TSMC 0.18 ?滋m CMOS工藝元件庫的超寬帶LNA，采用Agilent公司的ADS2008軟件進行仿真設計。實驗結果表明，噪聲系數、增益、線性度和穩定度等性能指標都取得了較理想的效果。電路采用1.8 V直流電源供電，電流消耗為5.89 mA，功耗約為10.6 mW。
S參數分析：S11仿真對比如圖5所示，在UWB頻段間，引入電容Ce后，LNA的S11仿真結果：頻率為3 GHz時，S11=-14.342 dB；頻率為5 GHz時，S11=-14.868 dB。S11越小，電路的輸入回波損耗就越小，說明電容Ce的引入可大大減少系統的輸入回波損耗，從而實現輸入阻抗的匹配。圖6是正向增益S21的對比圖，其中實線、虛線分別為引入電容Ce前后的仿真結果，叉線為引入級間匹配后的結果。仿真結果表明，引入Ce會導致增益的惡化，而級間匹配可彌補Ce導致的增益下降，最終平均增益超過了13 dB。S22和S12仿真結果如圖7所示，引入輸出并聯負載結構后，在整個UWB頻段內，S22<-14 dB，說明并聯結構能有效改善輸出反射值，系統的回波損耗得到了改善，從而防止信號泄露和增強系統穩定性；而S12<-50 dB，說明電路的反向隔離度較好。
噪聲性能和穩定性分析：噪聲系數仿真如圖8所示，噪聲系數NF：0.875 dB<NF<4.072 dB，平均值為2.47 dB，最小噪聲系數NFmin<0.988，說明引入電容Ce和級間匹配后，LNA電路得了較優的噪聲系數。穩定性仿真如圖9所示，在整個頻帶內其值范圍為31.315<StabFact1<69.842，MU1為負載穩定系數測量值，值大于6，StabFact1和MU1都恒大于1，表明系統是無條件穩定的。
線性度仿真分析：4.2 GHz時雙音輸出頻譜圖如圖10所示。圖中的B1為輸出三階互調失真信號的功率，記為PIMD， B2為輸出基波信號的功率，記為PFind。IIP3表達式為：IIP3=（ΔP/2）+Pin，Pin為輸入功率，設為-40 dBm，?駐P=PFind－PIMD，將圖中數據代入公式可得4.2 GHz 時的IIP3值為5.79 dBm。同理，當輸出頻譜為3.6 GHz時，IIP3值為5.61 dBm。經過多個中心頻率測試，最終可得UWB LNA的IIP3的平均值約為5.35 dB，說明電路取得了較好的線性度。
本文設計了一款具有低噪聲、高線性度等特性的UWB LNA。提出的LNA基于窄帶PCSNIM結構，并在其
輸入輸出端引入了高階帶通濾波器。仿真結果表明，電路獲得了約為13.5 dB的正向增益和0.875 dB～4.072 dB的噪聲系數。此外，線性度和功耗等性能方面也取得了不錯的效果。
參考文獻
[1] KAO H L，CHANG K C.Very low-power CMOS LNA for UWB wireless receivers using current-reused topology[J]. Solid-State Electronics，2008(52)：86-90.
[2] ZHANG C，HUANG D Q，LOU D W.Optimization of cascade CMOS low noise amplifier using inter-stage matching network[C].IEEE Conference Electronic Dev and SolSta Circ，Hong Kong，China，2003：465-468.
[3] DORAFSHAN A，SOLEIMANI M.High-gain CMOS low noise amplifier for ultra wireless receiver[J].Progress In Electromagnetic Research C，2009(7)：183-191.