一种用于卫星导航接收机的低噪声放大器设计

邹 鹭，卜 刚，邹志鹏

(南京航空航天大学，电子信息工程学院，江苏南京 210016)

全球定位系统的研制和应用是大国实力的象征，目前国际上导航卫星系统主要有美国全球定位系统GPS、俄罗斯GLONASS全球导航卫星系统、中国的北斗卫星系统等。当前市场上GPS的应用已相当广泛，而北斗导航系统是我国自主研发、拥有独立知识产权的全球卫星导航系统，现阶段的应用正处于起步阶段。另外，随着近年来不断发展和完善的各种无线通信标准，各大通信公司都增加了对多标准、多模式、多频段移动设备的兴趣，而且根据卫星导航系统的定位原理及卫星信号特征，为实现接收机快速、连续、精确定位，多个卫星导航系统组合使用是未来发展的趋势［1］。于是可同时多种导航系统的多模用户机应运而生。多模用户机除了可提升定位精度外，还可在其中一个系统失效时，另一系统即可发挥作用，这便可避免战时被动局面的产生。即使美国像在伊拉克战争期间那样关闭GPS，这种接收器将仍可从其他全球导航卫星系统的卫星上接收到信号［2］。因此，如何实现可兼容多种无线通信技术标准的多频段移动接收终端成为了目前的研究热点。

低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)在整个接收机的设计中极为重要，根据噪声系数级联公式，作为接收路径中的第一个增益级，LNA的噪声因子将直接加到整个系统的噪声系数上。对于接收系统而言，除了要求LNA具有较低的噪声系数并且能够提供足够的增益外，为避免非线性对接收信号的影响，一般还要求LNA具有较高的线性度。本文介绍了一种宽带LNA，采用带有源极退化电感的共源共栅结构，工作频段适用于GPS，北斗及GLONOSS导航系统。

1 电路设计

1.1 带源级负反馈电感的共源共栅结构

在当前LNA设计中，应用最广泛的是带有源极负反馈电感的共源共栅结构［3］，其结构如图1所示。这种结构是一种窄带放大器，主放大管是共源管M1，M1的栅漏电容会引起Miller效应，共栅管M2用以减小此种效应，进而使得整体电路的反向隔离性能增强。同时源极负反馈电感可提供具有正实部的输入阻抗，且该结构可在功耗受限的情况下得到噪声系数。

如图2所示的小信号模型忽略了晶体管的输出阻抗ro和Cgs之外的所有寄生电容，从等效电路中可得出，输入阻抗为

图1 带源极负反馈电感的共源共栅结构

式(1)中，gm为M1的跨导;Ls是源极负反馈电感;Cgs是M1的栅源级电容;ωT是晶体管的特征频率;ωT=gm/(Cgs+Cex)。考虑到LNA的前级通常是分立的射频带通滤波器，而滤波器的特性直接受终端所接的负载影响，因此LNA的输入阻抗一般设定为50Ω，以此配合滤波器［4］。若LC串联谐振电路在工作频率附近谐振，输入阻抗的虚部为0，阻抗匹配时需要满足的条件为

在晶体管尺寸一定时，通过选择合适的Ls和Lg可使阻抗实部匹配到50Ω。

图2 LNA小信号等效电路

1.2 宽带LNA设计

上述推导可得Cascade结构在工作频率附近的窄带范围内，可形成一个较好的输入阻抗匹配。但在多模式要求下，LNA的工作频段宽，卫星导航系统频率要求如表1所示。在传统设计中，接收机通常采用多个独立的窄带LNA并行工作于每个频段，但这会成倍地增加尺寸、成本和功耗。为解决这一问题，本文采用宽带结构来实现LNA［5］。宽带LNA必须在较宽的频带范围内实现输入阻抗匹配、提供平坦的增益、尽量少地引入噪声。本文在源极退化电感的基础上引入了并联反馈回路，这种结构可以降低输入端的品质因子，从而提高输入阻抗匹配网络的带宽，其结构如图3所示。

图3 利用并联反馈技术的宽带LNA

Rf是反馈电阻，Cf是交流耦合电容，经推导可得到放大器输入端的品质因子

式(3)中，RfM=Rf/(1－Av)是Rf的 Miller等效电阻，Av是放大器的开环电压增益。本文在设计时先在中心频点1.4 GHz处设计窄带放大器，选择Rf来拓展系统带宽。

表1 3种卫星导航系统频率对比

1.3 噪声分析

根据经典二端口噪声理论，一个二端口网络通过噪声匹配网络，在匹配最优的情况下，可得到最小的噪声系数Fmin，共源共栅结构可近似采用MOS管的二端口噪声模型分析，最小噪声系数为［6－8］

对于低噪声放大器而言，功耗是一个重要的限制条件，因此LNA的噪声系数必然＞Fmin，可利用噪声优化手段来降低噪声系数。根据文献，当给定的漏电流以及满足匹配条件时，存在晶体管的最优宽度使得功耗受限时噪声系数达到最小，最优宽度

式中，W为栅宽;L为栅长，Cox是单位面积的栅氧化层电容，式中的参数因不同的工艺而改变，需通过实际仿真进行验证。本文采用无锡上华CSMC 0.18μm工艺，此时得到的噪声系数为FminP。

式中，FminP＞Fmin，这是由于与最佳匹配适配以及较大的源极负反馈电感引起的，但这种方法利用源端负反馈电感得到了较好的输入匹配，同时在功耗受限的情况下使噪声系数尽量减小，而输入端的电感谐振提供了较大增益，因此其被广泛应用于CMOS低噪声放大器的设计中。

2 电路仿真

经计算后，得到整体电路原理如图4所示。

图4 宽带低噪声放大器整体电路

由于射频CMOS集成电路设计的复杂程度越来越高，设计指标也日益增高，使用计算机EDA仿真工具进行辅助设计已成为趋势，在进行CMOS模拟射频集成电路设计时Cadence ADE是应用广泛的仿真工具。通过射频仿真软件，对LNA进行直流仿真，噪声分析，S参数仿真和周期稳定性仿真。仿真结果与理论计算值存在一定偏差，经过调整，宽带LNA的噪声系数和S参数仿真结果如图5～图7所示。仿真结果表明，增益在多模式导航频段内达到10 dB以上，S11和S22均在－10 dB以下，符合工程要求。噪声系数均＜2.3 dB，输出1 dB压缩点为－5.585 dB。

图8是利用Virtuoso版图设计平台绘制的宽带LNA版图，本文所使用的器件模型和仿真标准均基于CSMC 0.18μm工艺库。

图5 S参数仿真结果

图6 噪声系数仿真结果

图7 1 dB压缩点仿真结果

图8 多频段LNA版图

3 结果分析

表2是本文设计的LNA与其他文献设计结果的对比。如表2所示，本设计在卫星导航频段上实现了较好的噪声性能和线性度，同时也保证了足够的增益。

表2 宽带LNA性能比较

4 结束语

本文将并联反馈技术应用于带源极负反馈电感的LNA中，使用CSMC 0.18μm工艺，设计了一种可同时工作于GPS、GLONASS卫星系统以及北斗卫星系统的宽带LNA，得到了平坦的带内增益以及较低的噪声系数。仿真结果表明，该低噪声放大器模块可满足当前各种导航系统的工作要求。

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