文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)04-0046-03
超寬帶UWB（Ultra-Wide band）技術是一種新興的無線通信技術，具有數據傳輸速率高、功耗低、安全性好等優勢，在雷達定位、智能交通系統、無線個人局域網（WPAN）等方面得到廣泛應用。而作為超寬帶射頻無線接收機最前端的低噪聲放大器,對系統的靈敏度具有決定性作用?？勺冊鲆娴驮肼暦糯笃鞒凉M足低的噪聲系數和高的增益等指標外，還可以穩定輸出、增大接收機的動態范圍、滿足混頻器的線性度要求, 可靈活應用于超寬帶系統設計。目前已報道的可變增益LNA主要采用開關選擇技術[1-2]、負反饋技術及偏流控制技術等[3-4]。上述方法對窄帶低噪聲放大器的增益能實現連續控制,但在超寬帶放大器中會造成放大器的回波損耗及增益平坦度等指標隨著增益的減小而惡化。
本文提出了一個基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝的3 GHz~5 GHz增益可變的低噪聲放大器。采用二級共源共柵結構，使用并聯負反饋展寬頻帶，通過控制第二級放大器的偏流來實現增益連續可變。仿真結果表明，該放大器在工作頻段內可實現增益變化為36.5 dB，輸入輸出回波損耗及增益平坦度幾乎不變，噪聲系數最小值為1.46 dB，在1.8 V電源下，功耗僅有6.2 mW。
1 電路設計
1.1 超寬帶輸入阻抗匹配
基于CMOS工藝的經典電感源簡并(Inductively source degeneration)結構的LNA具有噪聲系數小、增益高等特點，在實現寬帶LNA電路時，通常需要增加負反饋網絡，降低電路品質因數來拓展頻帶。本文采用了典型的RC并聯負反饋結構[5]，其電路如圖1所示。M1和M2組成LNA的主放大電路, M3和M4組成第二級放大電路，M5和M6組成源極跟隨器作為輸出緩沖。兩級電路采用電感負載L1和L2引入零點，以補償因寄生電容引起的增益下降；R1和R2用來提高低頻增益和改善增益平坦度；RfCf為負反饋網絡。為便于調整，柵極電感Lg與輸出匹配電路在片外實現。M1源極所接負反饋電感Ls用以實現輸入阻抗匹配，Lg可調整LNA電路的諧振頻點。
從式(4)可以看出，Rf越大則NF越小，但Rf的增大必然要求Av增大以滿足阻抗匹配的要求, 這會對功耗提出更高的要求,需要折衷。
1.3 增益控制分析
對圖1所示的LNA，若直接改變第一級放大器的柵源電壓，可實現增益可變，但必然會影響輸入輸出匹配電路，導致回波損耗、線性度、增益平坦度等指標惡化。通過控制第二級放大器的偏流，即改變圖1所示M4的柵極電壓Vct，在實現增益連續可變的同時，又能克服上述缺陷。
輸入匹配網絡可以采用無源濾波器結構，很容易獲得很好的功率和最佳的噪聲性能。輸出端由于采用源極跟隨器，通過優化，選擇合適的元器件值，容易使輸出反射系數滿足要求。圖2是當Vct=1.8 V時的S11、S22及S21仿真結果。可以看出,在3 GHz~5 GHz范圍內，S11和S22分別小于-15 dB和-11 dB，S21最大值為22.5 dB; 由于控制的是第二級放大器的偏流，Vct的變化對S11和S22幾乎沒有任何影響。圖3和圖4分別為Vct變化時增益、噪聲系數的仿真結果。由圖可知，當參數掃描Vct從0.5 V~1.8 V、步長為0.1 V時，電路實現的增益大約為36.5 dB(-14 dB~22.5 dB）的可調范圍，噪聲系數的變化范圍為1.46 dB~2.8 dB，隨著Vct減小，噪聲逐步惡化。在4 GHz處，對IIP3仿真的結果為-7 dBm。整個電路在1.8 V電源下，功耗為6.2 mW。表1為本文設計的LNA與已發表文獻中的超寬帶LNA的性能比較。
本文給出了一個針對3~5 GHz頻段的CMOS超寬帶可變增益低噪聲放大器設計。電路采用兩級共源共柵結構，在1.8 V電壓下，實現了大約36.5 dB的連續增益可調，且不影響輸入輸出匹配電路，為實現超寬帶可變增益低噪聲放大器提供了一種選擇方案。
參考文獻
[1] WU C C，YEN A C，YU C，et al.A switched gain low noise amplifier for ultra-wide band wireless applications[M]. IEEE Radio and Wireless Symp.2007：193-196.
[2] HWANG Y S，KIM C J，KIM J H，et al.A controll-able variable gain LNA for 2 GHz band[C].Proceeding.Asia Pacific Microw.Conference.2005：2-4.
[3] AOKI Y，FUJII M，OHKUBO S，et al.A 1.4-dB-NF variable gain LNA with continuous control for 2 GHz band mobile phones using InGaP emitter HBTs[C].in IEEE RFIC Symposium.Dig.2001：231-234.
[4] TAI C F，TSAI C Y，CHIOU H K.A differential variable gain SiGe BiCMOS LNA design using current splitting and feedback techniques[C].IEEE Int.Workshop Radio Frequency Integration Technology：Integrated Circuits for Wideband Communication and Wireless Sensor Networks.2005：179-182.
[5] WANG R L，LIN M C，YANG C F，et al.A 1 V 3. 1-10.6 GHz full band cascoded UWB LNA with resistive feedback[C].IEEE Conference.Electronic.Device and Solid State Circuit.Tainan，Taiwan，China.2007：1021-1023.
[6] 楊凱，王春華，戴普興.一種3~5 GHz連續增益可調CMOS超寬帶LNA的設計[J].微電子學，2008，38(2)：275-279.
[7] LEE T H.The design of CMOS radio frequency integrated circuits[M].2nd Ed.Cambridge，UK：Cambridge University Press，2004：364-400.