An Ultra-Wideband Low Noise Amplifier Based on Noise Cancellation Technique*

SHAO Xiangpeng，ZHANG Wanrong，DING Chunbao，ZHANG Qingyuan，GAO Dong，HUO Wenjuan，ZHOU Menglong，LU Dong

(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

An Ultra-Wideband Low Noise Amplifier Based on Noise Cancellation Technique*

SHAO Xiangpeng，ZHANG Wanrong*，DING Chunbao，ZHANG Qingyuan，GAO Dong，HUO Wenjuan，ZHOU Menglong，LU Dong

(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

An ultra-wideband low noise amplifier(UWB LNA)was presented．The UWB LNA is composed of input stage，intermediate stage and output stage．At input stage，noise cancellation structure constructed by two common-gate configuration is utilized to decrease noise figure，Gm-boost structure is used to enhance gain，the inserted inductor Linimproves the gain flatness of the LNA within the wideband．At intermediate stage，the bandwidth is broaden due to the zero generated by shunt inductor at the drain of amplifier．The output stage is a source follower which provides a good output matching easily．Based on 0．18 μm standard CMOS process，the LNA is verified．The voltage gain(S21)maintains 19．2 dB±0．3 dB，noise figure(NF)swings from 2．1 dB to 2．4 dB，input reflection(S11)and output reflection (S22)are less than－10 dB within the range of 4 GHz～10 GHz．The input intercept point(IIP3)is－7 dBm at 9 GHz．The LNA consumes only 28．6 mW from a 1．8 V voltage．

noise cancellation;gm-boosted;ultra-wideband;CMOS

超宽带(UWB)技术作为一种低功耗、短距离互联技术，近些年来得到了飞速的发展［1－2］。美国联邦通讯委员会(FCC)规定:任何工作频段在3．1 GHz～10．6 GHz且满足带宽大于500 MHz的信号都定义为超宽带［3］。

超宽带低噪声放大器(UWB LNA)位于接收器的前端，制约着整个接收系统的性能。为了使LNA在频带内噪声性能良好，很多学者采用了各种结构，如宋睿丰等人所使用的基于0．35 μm SiGe HBT工艺的电阻并联负反馈共源共栅结构，尽管功耗很低，但其噪声最小值在3．1 GHz～10．6 GHz范围内都大于3．5 dB［4］。Hu Jianyun等人所使用的基于0．18 μm CMOS工艺的电阻负反馈的噪声抵消结构，尽管输出匹配很好，但噪声在0．7 GHz～6．5 GHz内仍介于3．5 dB～4．2 dB［3］，Khurram M等人所使用的基于0．13 μm IBM CMOS工艺的共栅跨导增强结构，其噪声在3．1 GHz～10．6 GHz内大于4．5 dB［5］，噪声系数都不尽如人意。本文采用0．18 μm TSMC CMOS工艺，对超宽带低噪声放大器进行研究，提出了一款基于新型噪声抵消机制的电路结构。其工作电压为1．8 V，噪声系数在频带范围为内介于2．1 dB～2．4 dB。

论文安排如下:第1部分给出电路的原理与设计，第2部分展示电路验证结果，最后为结论部分。

1　电路原理与设计

本节叙述噪声抵消机制电路的原理与设计思路。图1为整个电路的结构示意图，该电路由三级组成，即输入级、中间级、输出级。输入级采用了互补式共栅结构，因为共栅结构在宽带范围内都具有良好的输入匹配，输入阻抗约为1/gm。M3和M4为跨导增强管，提高输入级的整体跨导。中间级放大器具有较高的增益，级联中间级放大器，使得增益达到一定的值，适用于接收系统。输出级采用低增益的源极跟随器，具有良好的输出匹配。

图1　本文提出的电路结构示意图

1．1输入级的噪声抵消结构

如图2所示，由于LS3和LS4较小，计算时忽略，该结构的跨导为:

图2　输入级放大器信号噪声示意图

由晶体管M1产生的沟道噪声电流= 4kTγgm1将会在M1管的源极产生噪声电压，可以通过电感Lin和Cblock传到M3和M4的栅极，M1和M2公用一个源极即A点，这样就使得M1和M4、M2和M3输入电压相同，因此M1噪声电压控制M2和M3管，使得M2和M3产生大小受控电流?，经过放大在B点输出其表达式如式(3)所示，而M1在漏极产生噪声电压，如式(4)所示。同理，M2的沟道噪声经过M1和M4放大在B点输出如式(5)所示，而M2在漏极产生的噪声电压如式(6)所示。

为了使沟道噪声抵消，应满足:

由此可得:

1．2输入阻抗

良好的输入阻抗匹配意味着较少的回波损耗，这样信号就能有效的传入放大器。由于表征回波损耗的S11=－20lg(Γin)，其中Γin=(Rin－Zs)/(Rin+Zs)。共栅放大器作为输入级，放大器宽带内具有良好的输入匹配特性，以式(7)为条件，推出该放大器的输入阻抗为:

调节gm1或者gm2、Lin等最终使阻抗匹配在50 Ω附近，可得符合要求的S11。

1．3中间级放大器设计

为了提高增益系数增加了中间级放大器，并通过并联电感LD5引入零点，拓展带宽。如图1所示，计算得中间级放大器的增益为:。

1．4输出级放大器的设计

图1所示输出级放大器。前面两级的增益系数已经足够大，所以，最后一级需具有良好的输出匹配。输出阻抗匹配可由S参数来表征，其中。此时，Zout=1/ gm6，调整M6管的栅宽，使S22符合要求。

1．5放大器的整体增益

根据图1可得到该UWB LNA的整体增益由前面两级构成，未加入电感Lin时，增益为:

这样随频率增加，感抗和阻抗都有随着频率增大而减小，增益平坦度较差，加入补偿电感Lin后增益为:

由式(9)可以知道，在工作频带范围内存在一个极点sLD4+RD4=0。插入电感Lin后，该零点变化为。该零点为共轭零点，实部可以表示为。这两个极点出现在工作频带以外的高频部分，相对于原来的电路来说在工作频带范围内，极点减少了。因此，该放大器在宽带范围内的增益随频率变化不会那么明显，提高了该UWB LNA的整体增益平坦度。源极负反馈LS3、LS4也都略微地提升了该UWB LNA的增益平坦度。

1．6放大器的整体噪声

在高频情况下我们忽略闪烁噪声、散粒噪声，并且忽略跨导增强支路所产生的噪声，只考虑热噪声。多级放大器级联后的噪声系数为:

GAi为第i级放大器的资用功率增益，FNi为第i

级的噪声系数［6］。由式(11)可以看出，越靠近输入端的噪声系数在整个放大器中占的比重越重，本文的放大器的输入级的两个支路具有噪声抵消的作用，输入级的噪声较小，这样该UWB LNA的噪声就会显著地减小。由于输入级的沟道噪声被抵消，只有电阻RD1和RD2产生噪声。中间级的晶体管M5产生沟道噪声。而电阻RD5产生的热噪声在输出端，

与输出级一样，由于前面两级的增益较高，因此要被忽略。由此推算噪声系数为:

2　UWB LNA验证结果

本文提出的UWB LNA采用0．18 μm TSMC CMOS工艺进行仿真验证。图3为UWB LNA的噪声系数，在4 GHz～10 GHz范围内噪声系数介于2．1 dB～2．4 dB。图4为S参数示意图，其中S11和S22在工作频带范围内均小于－10 dB。在没有电感Lin的情况下，S21从19．4 dB降到了14．6 dB，在工作频带范围内，降低了4．8 dB，平坦度较差。插入电感Lin后，S21为(19．2±0．3)dB，增益平坦度良好，电感Lin作用明显。

图3　噪声系数仿真结果

图4　S参数仿真结果

图5为IIP3的示意图，从图5可以看出，本文提出的LNA在9 GHz时，IIP3约为－7 dBm。

如图6所示，是整个放大器的版图。从左到右依次为:输入级、中间级、输出级。版图的信号通路和电路图相似，按照从上向下的顺序，尽量最短走线，这样的电路布局，性能比较接近预期。整个芯片面积为1．5 mm×1．5 mm。

表1对本文的UWB LNA进行了性能总结，同时和其他的CMOS宽带LNA进行了比较。由表1可以看出，本文提出的UWB LNA具有良好的噪声性能，较高、较平坦的增益。

图5　该低噪声放大器的IIP3仿真结果

图6　整个放大器的版图

表1　各种LNA的比较

3　结论

本论文提出了一款具有新型噪声抵消电路结构的超宽带低噪声放大器(UWB LNA)，它由输入级、中间级、输出级组成。由于在输入级采用噪声抵消支路，该放大器在整个宽带范围内噪声都很小。在4 GHz～10 GHz范围内，噪声只介于2．1 dB～2．4 dB。输入级串联电感，使该放大器在工作频带范围内增益只波动了0．6 dB。中间级采用并联电感手段，拓展了放大器的带宽。输出级为源级跟随器，为放大器提供了良好的输出阻抗匹配。整个放大器的增益在工作频带内达到(19．2±0．3)dB。在1．8 V的电源电压下，LNA功耗为28．6 mW。该LNA的噪声、增益、功耗和输入输出匹配这几项参数性能良好，适用于射频接收机的前端。

［1］孙波涛，张万荣，谢红云，等．采用噪声抵消技术的宽带SiGe HBT低噪声放大器设计［J］．电子器件，2010，33(4):456－459．

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［5］Khurram M，Rezaul Hasan S M．Series Peaked Noise Matched Gm-Boosted 3．1 GHz～10．6 GHz CG CMOS Differential LNA for UWB WiMedia［J］．IEEE Electronics Letters，2011，47(12):1346－1348．

［6］李志群，王志功．射频集成电路与系统［M］．北京:科学出版社，2010:98－107．

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邵翔鹏(1990－)，男，汉族，江苏省宿迁市人，现为硕士研究生，主要研究方向为射频集成电路，singasin@ sina．com;

张万荣(1964－)，男，河北省人，教授，博士生导师，主要从事射频器件和射频集成电路的研究。

EEACC:1220;523010．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．017

基于噪声抵消技术的超宽带低噪声放大器*

邵翔鹏，张万荣*，丁春宝，张卿远，高栋，霍文娟，周孟龙，鲁东
(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124)

实现了一款超宽带低噪声放大器(UWB LNA)。该UWB LNA由输入级、中间级和输出级组成。在输入级，采用两个共栅配置构成了噪声抵消技术，减少了噪声，在此结构基础上进一步采用了跨导增强技术，提高了增益。同时插入的电感Lin提高了LNA在宽带范围内的增益平坦度。中间级放大器，在漏极并联电感产生零点，提高了LNA的带宽。输出级为源极跟随器，较好实现了LNA的阻抗匹配。基于0．18 μm TSMC CMOS工艺仿真验证表明，在4 GHz～10 GHz频带范围内，电压增益(S21)为(19．2±0．3)dB，噪声系数(NF)介于2．1 dB～2．4 dB之间，输入、输出反射系数(S11、S22)均小于－10 dB。在9 GHz时，输入三阶交调点(IIP3)达到－7 dBm。在1．8 V的电源电压下，功耗为28．6 mW。

噪声抵消;跨导增强:超宽带;CMOS

TN722．3

A文献标识码:1005－9490(2015)01－0074－04

2014－03－03修改日期:2014－03－26

项目来源:国家自然科学基金项目(60776051，61006044，61006059);北京市自然科学基金项目(4142007);北京市教委科技发展计划项目(KM200710005015，KM200910005001);北京市优秀跨世纪人才基金项目(67002013200301)