王寧章，雷琳琳，閔仁江

（廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西 南寧 530004）

基于切比雪夫網(wǎng)絡(luò)修正的噪聲優(yōu)化超寬帶LNA設(shè)計(jì)

王寧章，雷琳琳，閔仁江

（廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西 南寧 530004）

基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝的研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于 3～10 GHz超寬帶無線通信系統(tǒng)接收前端的低噪聲放大器。以經(jīng)典的共源共柵的結(jié)構(gòu)作為放大主架構(gòu)，結(jié)合切比雪夫?yàn)V波器，實(shí)現(xiàn)超寬帶輸入匹配，并采用噪聲消除技術(shù)優(yōu)化LNA噪聲性能。電路結(jié)構(gòu)具有工作帶寬大、輸入匹配簡(jiǎn)單并且噪聲性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明：在3～10 GHz頻段內(nèi)，S11和S22均小于－10 dB，S21為15 dB～10 dB，噪聲系數(shù)NF為1.5 dB～2.3 dB，在1.8 V供電電壓下電路功耗為14.5 mW。

超寬帶；切比雪夫；低噪聲放大器；噪聲消除技術(shù)

0　引言

無線傳輸設(shè)備正向微型化、高性能以及兼容化（單個(gè)終端集成多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用）的方向發(fā)展[1]，超寬帶技術(shù)作為一種面向低復(fù)雜度、低成本、低功耗、高數(shù)據(jù)傳輸率的短距離互聯(lián)技術(shù)，已成為研究熱點(diǎn)之一[2]。低噪聲放大器作為無線通信接收系統(tǒng)的第一個(gè)模塊,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起著舉足輕重的作用。本文提出了一種基于0.18 μm CMOS工藝在 3.1～10.6 GHz頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高噪聲性能的LNA設(shè)計(jì)方案，在輸入端引用切比雪夫網(wǎng)絡(luò)，主體放大器為帶源級(jí)負(fù)反饋電感的共源共柵結(jié)構(gòu)，并對(duì)其采用噪聲消除技術(shù)，消除溝道熱噪聲，從而使整個(gè)頻帶內(nèi)NF降低到1.5 dB～2.3 dB，增益保持在15 dB～20 dB，具有優(yōu)越性。

1　超寬帶輸入匹配

本設(shè)計(jì)采用在 cascode結(jié)構(gòu)之前加入三階切比雪夫?yàn)V波器結(jié)構(gòu)（降低輸入阻抗的虛部到零）作為輸入端，選用三個(gè)極點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)3.1～10.6 GHz寬頻帶的輸入匹配。

圖1為UWB LNA的輸入匹配圖，其中 L1、C1、L2、C2、Lg和 Cp構(gòu)成了三階的切比雪夫?yàn)V波器。這種結(jié)構(gòu)不僅能解決超寬帶匹配難的問題，而且還可以對(duì)前端接收天線的非理想性進(jìn)行修正。雖然引入電感，但可以省去LNA以及后續(xù)混頻器對(duì)信號(hào)相位的修正工序，簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜度。輸入等效電路圖如圖2所示。

帶有源極電感負(fù)反饋的晶體管的輸入阻抗是一種串聯(lián) RLC電路的形式[3]。

輸入阻抗為：

圖1　簡(jiǎn)化UWB LNA的輸入匹配圖

圖2　輸入等效電路圖

其中 ωT＝gm/(Cgs+Cp)，為了達(dá)到阻抗匹配，Zin的實(shí)部應(yīng)該與源阻抗相等，即：

聯(lián)立式(2)、式(3)可確定Ls的大小。再根據(jù)反射系數(shù)的要求：

計(jì)算出三階切比雪夫?yàn)V波器的參數(shù)值。其中，ρp是濾波器帶內(nèi)波動(dòng)系數(shù)。最后，再對(duì)網(wǎng)絡(luò)右側(cè)的電感Lg和補(bǔ)償電容Cp的值進(jìn)行修正。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)流程，對(duì)應(yīng) 3.1～10.6 GHz的輸入匹配電路，三階切比雪夫?yàn)V波器各元件的參數(shù)值為：

L1＝1.05 nH，C1＝751.6 fF，L2＝1.86 nH，C2＝680.06 fF，Lg＝1.22 nH，Cp＝102 fF。

2　噪聲消除技術(shù)

圖3　晶體管的噪聲模型

ind為漏級(jí)溝道熱噪聲，ing感應(yīng)柵噪聲。這兩個(gè)噪聲源之間有一定的相關(guān)性[5]，ing由ind前饋感應(yīng)而成，故針對(duì)MOSFET管的溝道熱噪聲 ind進(jìn)行噪聲消除。如圖4，共柵管 M1的溝道熱噪聲 ind，M1，從 Y點(diǎn)流出，在 X流入[6]。在這兩點(diǎn)產(chǎn)生兩個(gè)完全相關(guān)但是完全反相的噪聲電壓，分別由M2和M3轉(zhuǎn)換成反相電流。共柵級(jí)晶體管M1在X點(diǎn)和Y點(diǎn)產(chǎn)生的兩個(gè)同相信號(hào)電壓，同樣分別由M2和M3轉(zhuǎn)換成反相電流。故在輸出端，有用信號(hào)疊加增強(qiáng)，而噪聲信號(hào)被反相抵消。

圖4　共柵結(jié)構(gòu)噪聲消除原理

3　整體設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定

圖5　采用噪聲消除技術(shù)的 3～10 GHz低噪聲放大器原理圖

在借鑒文獻(xiàn)[7]所述的共柵級(jí)噪聲消除原理的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，對(duì)cascade結(jié)構(gòu)上對(duì)噪聲進(jìn)行消除。所設(shè)計(jì)的應(yīng)用噪聲消除技術(shù)的UWB LNA設(shè)計(jì)原理圖如圖5。超寬帶的輸入網(wǎng)絡(luò)由三階切比雪夫組成，選用三個(gè)極點(diǎn)保證3～10 GHz的帶內(nèi)阻抗匹配。同時(shí)對(duì)天線的非理想性進(jìn)行修正。輸出匹配采用源級(jí)跟隨器。放大管主要由采用噪聲消除技術(shù)的兩級(jí) cascade結(jié)構(gòu)組成。M1和 M2構(gòu)成第一級(jí)cascade結(jié)構(gòu)，增大M2漏端電阻，提高M(jìn)1源端與其之間的隔離度。由于M2的溝道噪聲影響很小，可忽略不計(jì)，所以主要分析M1溝道噪聲消除的原理。M1共柵級(jí)結(jié)構(gòu)，溝道熱噪聲在X與Y節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生相位相反的噪聲電壓，比例為Rl/Rs。有用信號(hào)在X與Y節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生同相的信號(hào)電壓。Ll用來與寄生電容產(chǎn)生諧振，提高晶體管高頻增益[6]。M3和M4構(gòu)成第二級(jí)cascade結(jié)構(gòu)，提供gm3/gm4的疊加比。

該放大器輸出端的噪聲電壓為 Vout，n。

根據(jù)此式，合理設(shè)置晶體管的柵寬和電阻阻值，就可實(shí)現(xiàn)噪聲的消除，達(dá)到超寬帶低噪聲放大器噪聲優(yōu)化的目標(biāo)。

4　仿真與分析

基于TSMC公司的0.18 μm標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)了3～10 GHz的超寬帶低噪聲放大器，在安捷倫ADS2008U2平臺(tái)上進(jìn)行仿真。根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)定參數(shù)，并經(jīng)過適當(dāng)修正與調(diào)整，得到如圖6～圖9所示的仿真結(jié)果。

圖6　S11仿真結(jié)果圖

圖8　噪聲系數(shù)仿真結(jié)果圖

圖9　增益仿真結(jié)果圖

由圖6所示，三階切比雪夫?yàn)V波器利用三個(gè)極點(diǎn)，保證電路在3 GHz～10 GHz頻率范圍內(nèi)，輸入反射系數(shù)S11小于－11 dB，有良好的輸入匹配性能。輸出端采用源級(jí)跟隨器，仿真結(jié)果如圖7所示，輸出反射系數(shù)S22小于－10 dB。因此表明該設(shè)計(jì)能夠保證電路有良好的輸入輸出匹配，有效減少了信號(hào)的反射。兩級(jí)cascade結(jié)構(gòu)的放大設(shè)計(jì)，使增益最高可達(dá)到約 15 dB，且?guī)?nèi)增益平坦，如圖9所示。圖8所顯示的噪聲系數(shù)，在頻帶3 GHz～10 GHz范圍內(nèi)能夠保持在 1.5～2.3。從仿真結(jié)果來看，隨著頻率的增高，NF具有上升的趨勢(shì)，這是由于寄生效應(yīng)的復(fù)雜性隨頻率的增加而增加，與理論曲線相一致。仿真結(jié)果表明，通過這種設(shè)計(jì)，使電路的噪聲性能達(dá)到了較優(yōu)的效果。

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款采用噪聲消除技術(shù)的 3～10 GHz超寬帶低噪聲放大器。在該設(shè)計(jì)中，輸入端采用三階切比雪夫?yàn)V波器，設(shè)置三個(gè)極點(diǎn)，解決了超寬帶輸入阻抗難以匹配的難題，并且仿真結(jié)果表明，輸入端達(dá)到了良好的匹配效果。放大器在經(jīng)典的cascade結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的噪聲消除技術(shù)，使噪聲系數(shù)最低達(dá)到 1.47 dB，且在3～10 GHz的整個(gè)帶寬內(nèi)只有0.8 dB的變化，實(shí)現(xiàn)了較好的噪聲性能。且仿真結(jié)果表明，在此超寬帶的 頻帶內(nèi)，增益最高可達(dá)到 15 dB，有效地抑制后級(jí)模塊的噪聲。與其他文獻(xiàn)介紹的LNA相比，本文設(shè)計(jì)的UWB LNA達(dá)到了較好的水平。

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Design of ultra wideband LNA based on the modified Chebyshev network by noise optimization

Wang Ningzhang，Lei Linlin，Min Renjiang
（School of Computer and Electronics&Information,Guangxi University，Nanning 530004，China）

Based on the research of TSMC 0.18μm CMOS technology,designed a the low noise amplifier which applied in 3～10 GHz UWB wireless communication system receiving front－end.Utilize the common source structure and common grid structure as the enlarge main architecture,combining with Chebyshev filter.Implementation of UWB in－put matching,and using noise elimination technology to optimize the noise performance of the LNA.This structure has the large bandwidth,input,matching circuit is simple and the advantages of excellent noise performance.The simulation results show that:With in 3～10 GHz frequencies,S11and S22are less than－10 dB,S21is－15 dB～－10 dB,Noise factor NF is 1.5 dB～2.3 dB,Under the power supply voltage of 1.8 V circuit power consumption is 14.5 mW.

UWB；Chebyshev；LNA；noise canceling technology

TN710；TN432

A

10.16157/j.issn.0258－7998.2015.10.012

2015-03-27)

王寧章(1964-)，男，博士，主要研究方向：微電子學(xué)與固體電子學(xué)。

雷琳琳(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向：無線射頻電路設(shè)計(jì)與 RF IC設(shè)計(jì)。

閔仁江(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：無線射頻電路設(shè)計(jì)與 RF IC設(shè)計(jì)。

中文引用格式：王寧章，雷琳琳，閔仁江.基于切比雪夫網(wǎng)絡(luò)修正的噪聲優(yōu)化超寬帶 LNA設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41 (10)：49－51，54.

英文引用格式：Wang Ningzhang，Lei Linlin，Min Renjiang.Design of ultra wideband LNA based on the modified Chebyshev network by noise optimization[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：49－51，54.