基于噪声消除技术的超宽带低噪声放大器设计

高 雅，王宁章

（广西大学 计算机与电子信息学院，广西 南宁 530004）

2002年 2月，美国联邦通信委员会（FCC）规划了3.1 GHz～10.6 GHz的频谱资源作为超宽带无线通信的频段，并引发了国内外广泛的关注[1-2]。超宽带UWB(Ultra-Wideband)以高传输速率、低功耗、较强的抗干扰能力等优势，成为最具研究潜力的技术之一。作为超宽带无线接收机前端的低噪声放大器，其噪声性能直接影响整个系统的灵敏度指标，主要作用是对接收到的微弱信号进行放大。低噪放的设计需要在噪声、带宽、增益及功耗等指标中需要做出折中考虑，它的设计在接收射频前端中有着至关重要的作用。

本文采用TSMC 0.18μm工艺设计了一种基于噪声消除技术、工作在3 GHz～5 GHz频段的CMOS超宽带、低噪声放大器。采用单端转差分的balun结构，对LNA噪声进行优化。本文采用共栅管（CG）作为输入匹配，共栅管与共源管并联实现噪声消除的目的，并运用串联电感负载的办法提高高频增益，实现了噪声消除与宽带的匹配。

1 共栅结构分析

UWB LNA的输入匹配电路由共栅管 M1、L1、C1组成，如图1所示。Cgs为M1管的栅源电容，Cd是M1管的漏极电容，Co是杂散电容。CMOS放大器的主要噪声来源于主放大器MOS管的沟道热噪声，其噪声表达式为：

其中，RL是共栅管的负载电阻，RS是信号源阻抗，假设=1.33，其噪声系数 NF约为 4 dB[3-4]，不能满足超宽带低噪声放大器的设计要求，须针对其缺点对电路进行噪声优化。

图1 共栅结构小信号等效电路图

该超宽带低噪声放大器的输入阻抗为[5]：

其中，gm是共栅管 M1的跨导，ZL是 M1的负载电阻，rds是M1的漏源电阻。由于ZL的阻值远远小于rds，输入阻抗的实部表达式为：

结合输入阻抗匹配到50Ω的原则，Zin≈=50Ω，可得出共栅管的跨导gm=20 mS。

2 噪声消除设计分析

2.1 噪声消除技术

本文采用共栅管作为输入匹配，有用信号经两条Cascode支路后幅度相同，相位相反，差分输出后增益加强。噪声信号经两条Cascode支路后幅度相同，相位相同，差分输出后噪声消除。

图2为共栅管输入匹配电路图，输入电流iin可表达为输入电压与输入阻抗之比：

其中，共栅管的输入阻抗匹配到信号源阻抗Rin，CG=RS=50Ω。流入负载的电流设为iR1：

其中Vout，CG是共栅管的输出电压，设共栅管M1的放大倍数 为 ACG，ACG=，如图2所示，iin=iR1，联立式（4）、式（5）得：

图2 共栅管输入匹配电路图

由式（7）可得，共栅管 M1的放大倍数等于负载电阻R1与信号源阻抗RS之比。

采用常用的噪声消除技术设置原则优化共源管M1的栅宽值，其值的大小与M3管的栅宽值大小有一定的比例关系，M1的跨导与M3的跨导也就有着对应的比例关系，gm(CS)=ngm(CG)。负载则有相反的比例关系，即RCG=nRCS。n值的选取根据电路的不同而有不同的设置。

在增益、输入匹配及噪声系数指标中做折中，n=4是较好的选择[6]。M1的跨导为gm，M2的跨导取值为4gm，为了满足电路所需的平衡状态，差分输出的两路应该有相同的放大倍数，即：

根据式（8）得，负载 R2的阻值是 R1的 1/4。R1的阻值选取为1 200Ω，则R2==300Ω。差分电路输出端的电压Vout，diff表达式如下所示：

式（9）表明，差分输出后有用信号增强。

2.2 Balun-LNA Topology

图3所示为采用噪声消除技术设计的UWB LNA的完整电路图，共栅管M1与共源管M3通过耦合电容C2并联，其目的是加大增益及增强电路的隔离度，同时能够有效减少M1管、M3管的Miller效应。M1与M2管组成了共源共栅结构，M3与M4组成了共源共栅结构，M5与Rf组成了电路的偏置电路。

图3 UWB LNA完整电路图及相位分析图

有用信号经M1管后被同相放大，即X节点与Y节点相位同相；有用信号经过M3管后被反相放大，即X节点与Z节点相位反相。由于M1管与M3管应具有相同的放大倍数，即Y节点与Z节点是幅度相同、相位相反的两个信号，由差分电路输出后有用信号被增强。

对于MOS管的沟道热噪声信号而言，经过共栅管M1的电流噪声在X节点与Y节点的相位相反。经过共源管M3的电流噪声在X节点与Z节点相位相反，即Y节点与Z节点的噪声信号是幅度、相位相同的两个信号，由差分电路输出后共模噪声得以消除。

3 仿真结果分析

本文基于TSMC公司的0.18μm标准工艺设计了超宽带低噪声放大器。图4～图7是S参数和噪声系数的仿真结果图。

图4 S11仿真结果图

图5 S22仿真结果图

图6 S21仿真结果图

图7 NFmin仿真结果图

由图4、图5可见，在3 GHz～5 GHz频率范围内，输入反射系数S11小于-11 dB，输出反射系数S22小于-11.2 dB，表明电路具有较好的输入、输出匹配特性，能够有效减少信号的反射；反射隔离系数S12小于-60 dB，表明电路的反相隔离度性能良好。由图6可见，在3 GHz～5 GHz频率范围，电路正向增益S21大于17.5 dB，L1与C1谐振位于低频点，有效提高了输入阻抗特性和低频增益，其中螺旋电感L1的品质因子Q在整个频率范围内均大于8；负载电路合理的选择能够有效提高电路的高频增益。由图7可见，电路的最小噪声系数NFmin在3 GHz～5 GHz范围内小于2.4 dB，且频率越高，各种寄生效应越明显，因此噪声系数恶化越严重。与其他文献LNA相比，噪声系数达到了较优结果。

在1.8 V电压下，电路的功耗为12.5 mW。表1总结了本文所提出的超宽带、低噪声放大器与其他文献中设计的LNA的仿真对比结果。结果表明，本文所设计的采用噪声消除技术的电路在增益、噪声系数、插入损耗及功耗方面较其他设计都有更好的效果。

表1 所提出的UWB LNA与其他超宽带、低噪放结果相比较

根据噪声消除技术原理，利用共栅管较容易实现输入匹配的特点，采用差分输出电路的模式，设计了一种在3 GHz～5 GHz频带内超宽带、低噪声放大器电路。本文对电路的设计原理和参数设计进行了定量分析。基于0.18μm CMOS工艺对电路进行仿真设计，在3 GHz～5 GHz带宽内，电压增益大于17 dB，噪声系数低于 2.7 dB；在1.8 V电源电压下，电路功耗为12.5mW。与其他文献相比较，所设计的低噪声放大器达到了较好水平。

[1]BLAAKMEER S C，KLUMPERINK E A M，LEENAERTS D M W，et al.The BLIXER，a wideband balun-LNA-I/Q-mixer topology[J].IEEE JSSC，2008，43(12)：2706-2714.

[2]王宁章，高雅，宁吉，等.3 GHz～5 GHz超宽带噪声系数稳定的低噪声放大[J].电子技术应用，2013，39（7）：31-34.

[3]BMCCOLERI F.Wideband CMOSlow noise amplifier exploiting thermal noise canceling[J].IEEE JSSC，2004，39(2)：275-282.

[4]BLAAKMEER S C，KLUMPERINK E A M，LEENAERTS D M W，et al.Wideband balun-LNA with simultaneous output balancing，noise-canceling and distortion-canceling[J].IEEE JSSC，2008，43(6)：341-1350.

[5]Liao Chih-Fan，Liu Shen-Iuan.A broadband noise-canceling CMOS LNA for 3.1～10.6 GHz UWB receivers[J].IEEE JSSC，2007，42(2)：329-339.

[6]BLAAKMEER S C，KLUMPERINK E A M，LEENAERTS D M W，et al.An inductorless wideband balun-LNA in 65 nm CMOS with balanced output[C].Proc.33rd Eur.Solid-State Circuits Conf.(ESSCIRC2007)，Munich，Germany，Sep，2007：364-367.