一种高增益、低功耗的超宽带低噪声放大器

刘丹丹，马铭磷

(湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭 411105)

0 引言

最近，一些高性能的超宽带低噪声放大器电路已经被提出了。2006年，由X Guan和C Nguyen[1]提出的分布式放大器不仅拓展了电路所需的带宽而且达到了线性度的要求，但是它需要消耗大量的电流以及占用大量的芯片面积。在文献[2]中，J H C Zhan等人提出了电阻并联反馈技术，电路通过采用上百个反馈电阻来扩展带宽，电阻的大量使用会造成电路的噪声性能变差。为了减少电阻的数量，2007年，Ke-Hou Chen[3]利用共栅极结构的低噪声放大器获得了良好的输入、输出阻抗匹配以及良好的线性度，但是高频时电路的噪声性能仍然会变差。为了解决这一问题，文献[4]提出使用跨导增强技术来增加电路的增益，从而改善电路的噪声性能。文献[5-7]采用了噪声抵消技术，但是为了满足系统低噪声以及输入阻抗匹配的要求，电路也要消耗大量的电流。

本文将结合跨导增强技术、噪声抵消技术及电流复用技术构成一个高增益、低噪声的超宽带低噪声放大器。通过跨导增强技术和噪声抵消技术共同作用来减小共栅极CMOS管的噪声，使用电流复用技术来降低电路的功耗以及改善电路的增益性能。为了使电路获得平坦的增益，本文也利用了电感峰值技术。

1 电路结构

本文提出的电路结构如图1所示。电路输入级采用共栅极结构，共栅极放大器可以很好地在整个频带范围内获得良好的输入阻抗匹配。随着电路工作频率不断升高，MOS管M1栅源极寄生电容Cgs1会对输入阻抗产生影响，为消除这一影响，本文在M1的源极加入电感Ls，利用Ls与Cgs1的谐振作用，使电路的输入阻抗匹配。为了同时满足电路噪声性能和输入阻抗匹配的要求，本文采用了跨导增强技术和噪声抵消技术相结合的方式，如图1所示，NMOS管M2作为有源跨导反馈结构，增加了M1的跨导，使得电路的输入阻抗匹配不再只受MOS管M1跨导的影响，同时利用NMOS管M2的漏极与M3的漏极节点处信号电流同相而噪声电流反相的原理，达到减小电路噪声的目的。电路中的电感L2、L3可分别减小MOS管M2、M3漏极的寄生电容。

图1 超宽带低噪声放大器电路

另外，为进一步减小电路的功耗，本文也采用了电流复用技术。当M1管的漏极电流通过时，M1和M3可以被看作是共源共栅拓扑结构，彼此同时消耗相同的电流。C3是耦合电容，它可以在共栅管M1和共源管M3之间形成一条低阻抗路径，使信号到达M3的栅极。C4是旁路电容，它可以阻止交流信号进入M3的源端。L1是射频扼流圈电感，在高频时L1的阻抗将会变大，从而阻止交流信号从M1的漏极到M3的源极。

另外，为了达到电路增益平坦以及满足带宽的要求，使用了电感峰值技术，即加入了电感L4及L5来满足这一要求。为增大电路整体的增益性能，在电路的输出端采用了共源结构，利用电感L6和电容C5的谐振作用实现电路的输出阻抗匹配。

2 电路分析

2.1 跨导增强技术

本文利用跨导增强技术不仅增强了共栅放大器的跨导，而且在对共栅放大器噪声取消方面起了关键作用。图2为跨导增强技术的原理图。

图2 跨导增强技术原理图

在传统的共栅极放大器中，信号从NMOS管M1的源极输入，漏极输出，本文采用了有源反馈跨导的结构，使电路对于NMOS管M1的跨导增加。假设反向放大器的放大倍数为A，由图3所示的小信号等效电路模型可以得知，此时M1栅源极两端的电压Vgs扩大1+A倍，那么等效跨导也将扩大相同的倍数，即Gm,eff=(1+A)gm1，gm1为MOS管M1的跨导。但是随着反向放大器放大倍数的增大，M1栅极电压也随之增大，这可能导致MOS管无法在饱和状态下工作，因此对于反向放大器的放大倍数不应过大。

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图3 输入阻抗匹配小信号等效电路图

2.2 输入阻抗匹配

在传统的共栅极放大器中，当M1源极的寄生电容忽略不计时，可以通过调节M1跨导gm1的大小使1/gm1=Rs，来达到输入阻抗匹配的目的，但是由于电路的输入阻抗匹配仅受跨导gm1的影响，所以当增大gm1来达到噪声性能要求时，电路输入阻抗匹配的性能会变差，因此在传统的共栅极放大器中需权衡这两者的性能来选择合适的跨导值。而本文在输入匹配电路中利用了共栅极结构，并结合跨导增强技术，使得电路在满足输入阻抗匹配的条件时，电路不仅仅受NMOS管M1跨导的影响，还受M2跨导的影响，使电路有效跨导增加1+gm2R2倍，减小了电路噪声性能对于输入阻抗匹配的影响。本文提出的超宽带低噪声放大器输入阻抗匹配的小信号等效电路模型如图3所示。

由图3可知，本文提出的超宽带低噪声放大器电路输入导纳为

(1)

A=gm2R2

(2)

式中：Yin为电路的输入导纳；Cgs1为NMOS管M1的栅源极寄生电容；Cgs2为M2栅源极的寄生电容；Cgd2为M2栅漏极寄生电容；gm1为MOS管M1的跨导；gm2为MOS管M2的跨导。

由式(1)可知，当电路中总电感与总电容谐振条件满足时，将式(2)代入式(1)，可得电路的输入阻抗为

(3)

即当gm1(1+gm2R2)Rs=1的条件满足时，电路可以实现输入阻抗的匹配。

2.3 噪声抵消原理

由于在射频收发机系统中，电路通常是由多个子模块构成的，而每个子模块自身都会产生噪声，经传输后使得输入信噪比变差，低噪声放大器作为射频接收机第一级系统，分析噪声对电路的影响尤为重要。从文献[8]中得知级联网络的等效噪声系数NF为

(4)

从式(4)可以看出，第一级系统对整机噪声性能的影响最大，其后的系统可以通过提高电路的增益来降低系统的噪声，因此降低第一级系统的噪声显得尤为重要。对于本文的第一级系统共栅极放大器而言，主要采用了噪声抵消原理。噪声抵消技术的主要目的是在保证电路其他性能没有明显恶化的条件下，通过添加电路的方法，减小电路中主要噪声源在输出端的贡献。对于一般的低噪声放大器而言，噪声主要来源于第一级共栅极结构CMOS管的沟道热噪声，因此需要靠额外增加电路的方式来消除这一主要的噪声源。噪声抵消的原理图如图4所示。

图4 噪声抵消原理

共栅管M1的噪声电流近似用In,M1表示，RCG为MOS管M3与M1的寄生阻抗。由图2可知，MOS管M1的噪声电流In,M1从Y节点流入，X节点流出，分别流经Rs和RCG，在节点X处和Y处产生了反相的节点电压，而由于MOS管M1是一个共栅极放大器，因此信号电压在节点X和Y处方向是一致的。之后噪声电压经共源级放大器M2和M3产生了反相的噪声电流I1、I2，但是信号电压经M2和M3后电流的方向还是一致的。因此在输出端可以把2个支路的信号进行叠加。于是，可以直接得到噪声抵消的条件为[9]

gm1(1+gm2R2)gm3RCGR1=gm2R2

(5)

式中gm3为MOS管M3的跨导。

当电路的输入阻抗匹配gm1(1+gm2R2)Rs=1的条件满足时，由式(5)化简可得

(6)

由于随着电路工作频率的升高，MOS管M3与M1之间的寄生阻抗RCG将会变大，为了满足电路噪声抵消的条件，在MOS管M2的跨导gm2以及输入阻抗RS一定的情况下，可使MOS管M3的跨导gm3适当减小，从而使电路的功耗减小。同时，可得电路的等效导纳为

(7)

当电路的输入阻抗匹配gm1(1+gm2R2)Rs=1的条件满足时，由式(7)化简可得

Gm,eff=[(1+gm2R2)gm1gm3R1+gm2R2]/2

(8)

由式(8)可看出，通过采用跨导增强技术以及电流复用技术增加了电路的有效导纳，可获得一个高增益的低噪声放大器。由于运用了噪声抵消技术后，CMOS管M1的噪声电流近似为零，也就是本文的噪声主要由MOS管M2，MOS管M3及电阻R1，R2形成。在低频时，假设式(6)和输入阻抗匹配条件同时满足时，可得M2，M3，R1，R2的噪声表达式为：

(9)

(10)

(11)

(12)

由式(9)～式(12)可知，此时电路的总噪声为

(13)

由式(13)可以看出，只要增大gm2，R1，R2，就可使电路的总噪声减小。由于要同时满足输入阻抗匹配的条件，即gm1(1+gm2R2)Rs=1，因此在增大跨导gm2同时，跨导gm1将减小，从而减小了电路的功耗。另外，由于跨导gm2的增加势必会增加MOS管M2的宽度，使得电路在高频时寄生电容的影响越来越强，电路性能变差。因此为解决这一问题，在电路中加入了电感L2，利用电感与寄生电容的谐振作用减弱寄生电容对电路的影响。

3 仿真结果

本文提出的超宽带低噪声放大器采用TSMC 0.18 μm RF CMOS工艺，利用ADS软件对电路进行优化仿真。电路在3～5 GHz范围内工作电压为1 V，功耗为7.9 mW。

输入反射系数S11和输出反射系数S22的仿真结果如图5所示，可以看出S11在3～5 GHz范围内小于-10.8 dB，显示了较好的输入匹配性能，放大器S22曲线在同带宽范围内均小于-11 dB。放大器增益S21的仿真结果如图6所示，可以看出电路在5 GHz时获得最高增益为21.8 dB，在4 GHz时的最低增益为20.4 dB，电路增益相对平稳。LNA噪声系数NF的仿真结果如图7所示，可以看出NF的最小值为1.02 dB，在整个频带范围内增益均小于1.8 dB，噪声系数相对较低。

表1总结了本设计超宽带低噪声放大器的性能参数，并将其与近年来报道的文献进行了对比。

图5 输入输出反射系数

图6 增益S21的仿真结果

图7 噪声系数NF仿真结果

表1 近几年超宽带低噪声放大器性能对比

4 结束语

本文提出了一种基于跨导增强技术以及噪声抵消技术的超宽带低噪声放大器。利用跨导增强技术既可以改善输入匹配晶体管的噪声性能，也可以减小电路的功耗，通过采用电感峰值技术获得了相对平坦的增益。文章通过采用跨导增强技术、噪声抵消技术、电流复用技术获得了具有低噪声性能、低功耗以及高增益性能的放大器。该低噪声放大器采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺，在1 V电压工作下，在3～5 GHz带宽范围内功率增益大于20.4 dB，噪声系数小于1.8 dB，输入输出回波损耗小于-10 dB，直流功耗为7.9 mW。