低功耗3－5GHz超宽带低噪声放大器设计

邓桂萍

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

近年来，随着 FCC批准超宽带(Ultra Wide Band，简称 UWB)系统中3.1－10.6GHz频段的商业应用，由于它具有出色的短距离高速特点，UWB技术使用越来越广泛，比如汽车碰撞检测系统，穿墙成像系统和室内高速网络，在无线局域网应用中发挥着越来越重要的作用。UWB系统的频带范围为:3.1－10.6GHz，分为上下两个边带，下边带频率范围为3.1－5GHz，上边带频率范围为6－10.6GHz。超宽带低噪声放大器(Ultra－Wideband Low Noise Amplifier，简称 UWB LNA)作为超宽带系统的一个重要组成部分，其性能将直接影响整个接收机的性能。为此，要求UWB LNA在若干GHz宽的频段范围内提供较好的输入匹配、合适的增益放大信号、足够低的噪声系数、足够高的线性度、足够低的功耗以及足够小的芯片面积［1］。

针对超宽带系统，设计一款工作频率为3－5GHz的低功耗的衬底正向偏置的改进型级联低噪声放大器。

1 电路设计与分析

设计的工作频率为3－5GHz低功耗衬底正向偏置的改进型级联低噪声放大器电路如图1所示。

图1 提出的超宽带低噪声放大器结构

1.1 输入匹配设计

为了实现宽带输入匹配，目前主要的匹配方法有共栅结构、滤波器式共源结构、阻性并联反馈电路结构。然而滤波器式共源结构虽然具有很优越的噪声性能，可以在很宽的频带内实现匹配，而且增益非常平坦，但是需要很多无源元件，占用大量的芯片面积;阻性并联反馈结构可以使放大器的输入阻抗和输出阻抗在相当宽的频带范围内保持恒定，但是很难同时满足增益和噪声的要求［2］。因此，选用能不用其他无源元件就很容易实现宽带输入匹配且不容易受工艺变化的影响的共栅结构，其小信号等效电路如图2所示。

图2 共栅放大器的小信号等效电路

式1中，gm1和Cgs1分别为M1的跨导和柵源电容，当频率较低时，输入阻抗Zin=1/gm1，当频率升高时，Cgs1和Ls将影响输入匹配性能，通过合适的设置M1的尺寸和偏置电流可以在一定带宽范围内实现50Ω的输入阻抗。

在以往的低噪声放大电路中，共源共栅级联结构较常见，但一般出现在窄带系统，本设计中采用共栅级实现输入匹配，之后级联一共栅电路，一方面可以改善米勒效应，另一方面通过引入反馈改善线性度，同时还可适当增大增益。

1.2 中间放大级设计

为了提高输入匹配，第1级主要考虑的是匹配的问题，因而牺牲了部分增益，所以中间级联了放大级。电路结构如图3所示，采用的是典型的共源放大电路［3］。

图3 中间放大级电路

图4 输出级电路

1.3 输出匹配设计

前面两级的增益系数已经足够大，因此，最后一级需要具有良好的输出匹配，输出匹配电路如图4所示，输出匹配可由 S参数来表征［4］。Γout=如忽略寄生效应的影响，Ζout=1/Gm4，调整 M4的尺寸，使 S22符合要求。

1.4 低功耗技术分析

通常情况下，工作在模拟和射频状态的NMOS管其体端接地平面或源端。此时其阈值电压可以表示为:

式2中，Vth0是体源为0时的阈值电压，φf是费米能级，γ是体阈值参数，Vbs是体源电压。由上式可知，NMOS的阈值电压和 Vbs关系密切，当 Vbs大于零时，第二项为负值，此时 Vth比 Vth0小，即当NMOS管体端电压比源端电压高的时候，其阈值电压比标准情况下阈值电压小［5］。

对于常规的 NMOS而言，通常其体端和整个衬底相连接，由于需要将各个 NMOS连接在一起使用，此时通常情况下其源端和体端是相互连接成地。而深N阱工艺的 NMOS外围则被 N阱所环绕，如图5所示。由于该N阱能够有效地将其内部的P阱和外面的 P衬底相隔离，因此内部的 P阱可以设置成自己独立的电位，通过改变B端的偏置电压可以改变MOS管的阈值电压，这种技术称之为衬底正向偏置技术。当体端外接正电压，而源端接低电平或地时，体端和源端之间的电压形成了正电势，因此阈值电压要比Vth0低。

图5 深N阱工艺NMOS结构

2 实验结果

根据图1所示电路原理结构，采用 TSMC0.18umCMOS工艺，使用ADS软件对该LNA进行模拟与分析优化。选择合适的管子尺寸，M1为81.6um，M2为80um，M3为81um，M4为76um，M5为41um，再合理选择电感、电容和电阻的参数值，在0.6V的电源电压作用下，提出的LNA详细模拟结果表1所示。图6(a)～(d)给出了噪声系数NF，输入反射系数S11，反向传输系数 S12及增益S21随频率变化的趋势的仿真结果。

表1 CMOS低噪声放大器详细模拟结果

图6 仿真结果

3 结论

在改进级联共栅结构和引入反馈的基础上，提出了一个采用衬底正向偏置技术降低功耗的工作于3－5GHz的CMOS超宽带低噪声放大器。采用TSMC0.18umCMOS工艺使用ADS软件进行仿真，结果表明，该低噪声放大器结构具有良好的性能:在电源电压0.6V情况下，最大增益S21为23dB，输入反射系数S11为－10dB，反向隔离性能S12小于－55dB，噪声系数 NF 为2.2－3.3dB，三阶交截点IIP3为－2.2dBm，功耗为3mW。

［1］邓桂萍，王春华.超宽带低噪声放大器线性化技术综述［J］.微电子学，2014，(1).

［2］Rastegar H.，S.Saryazdi＆ A.Hakimi.A low power and high linearity UWB low noise amplifier(LNA)for 3.1－ 10.6 GHz wireless applications in 0.13μm CMOS process［J］.Microelectronics Journal，2013，(3).

［3］Hsun M.T.，Y.C.Chang＆ Y.Z.Huang.Design of low power UWB LNA based on common source topology with current－ reused technique［J］.Microelectronics Journal，2013，(12).

［4］Feng C.，X.P.Yu＆ Z.H.Lu，et al.3–10 GHz self－biased resistive－feedback LNA with inductive source degeneration［J］.Electronics Letters，2013，(6).

［5］Wang W.＆ C.H.Wang.Capacitor Cross－Coupled Fullydifferential CMOS Folded Cascode LNAs with Ultra Low Power Consumption［J］.Wireless Personal Communications，2014，(1).