抗干扰全集成超宽带低噪声放大器的设计

高宇飞，雷倩倩，潘诚，刘启航

（西安工程大学 理学院，陕西 西安 710048）

近年来，超宽带（Ultra-Wide Band，UWB）无线通信技术因高速、低功耗和低成本等特点被应用于各类商业领域[1-2]，由于UWB 技术具有带宽大、工作频率高的特点，因此要求用于该协议的LNA 能够在数吉赫兹的频段内作到输入匹配，并具有高增益、低噪声、低功耗、小面积的特性[3]。在城市电磁环境中，5～6 GHz 范围内分布着相对于UWB 频谱的窄带干扰信号，因此需要对其进行滤除，可以采用片外滤波器和片上滤波器。前者滤波效果好，但无法做到全集成；后者通过在LNA 中集成陷波滤波器，以微小的面积和功耗代价，实现了全集成和低噪声[5-19]。

文中设计了一款6.5～10 GHz 的抗干扰UWB LNA，采用了片上无源陷波滤波器以滤除5～6 GHz带外噪声，在实现了全集成的同时获得了良好的噪声表现和增益表现。为了拓展带宽，在LNA 中采用了并联反馈结构和并联峰化结构。

1 电路设计与分析

1.1 LNA整体电路设计

所设计的LNA 整体结构如图1 所示，包括LNA主电路、匹配电路和偏置电路。LNA 主电路分为两级：第一级采用电阻反馈共源共栅结构来实现高带宽和高增益；第二级采用共源结构进一步提升整体的增益，并提供一定的输出匹配。片上陷波滤波器集成在M1 的漏端，由片上电感L1和可调谐电容阵列C1构成。在LNA 第一级中采用了由C2、可调电阻R1构成的并联电阻反馈结构和由L2、R2组成的并联峰化技术来实现宽带。在偏置方面，第一级输入管M1需要较为准确的偏置点来保证增益和提高噪声性能，所以采用运放OP1 来钳制M5 和M1 组成的电流镜，从而提高电流复制的准确度。由于该LNA 工作频率高、带宽大，因此设计了LC滤波器匹配电路以满足宽带输入匹配的需求。

图1 LNA整体电路图

1.2 陷波滤波器的分析与设计

图1 中的电感L1和可调谐电容阵列C1构成了片上陷波滤波器，在电感和电容的谐振频率下，该滤波器会将信号电流导入到地，从而实现滤波功能。

1.2.1 片上电感分析

实际的一阶LC串联谐振电路的等效电路如图2所示。图中展示了对电感Q值影响较大的寄生参数，其中Cp是并联寄生电容，R是串联寄生电阻，Cb1和Cb2是衬底寄生电容。该工艺中采用了衬底隔离技术，可以减小衬底损耗对电感Q值的影响，并提高自谐振频率，降低了Cb1和Cb2的影响。

图2 考虑电感寄生时陷波滤波器的等效电路

式（1）为考虑寄生时，从滤波器输入端看进去的等效表达式。其中Cpb=Cp+Cb1。式（2）为谐振时的等效输入阻抗的实部。在C的取值远大于Cpb时，式（2）分母中第一项(1-Cpb/C)2将趋近于1，第二项R2C2pb/LC趋近于0，在该条件下谐振电路等效阻抗的实部约等于定值R，谐振时Znotch不等于零，其实部直接限制了LC电路的Q值，以至于滤波深度有限且带宽较大。

1.2.2 陷波滤波器电路设计

式（3）是RLC串联谐振电路的Q值表达式，其中R表示电感寄生电阻。由式（3）可知滤波器的Q值和LC的取值相关。矛盾的是，要使L尽量大、C和R尽量小才能实现较大的Q值，但较大的L意味着较大的R。因此需要通过仿真进一步寻找最佳的LC搭配。将电感的Q值固定为15，对不同LC取值的滤波效果进行仿真，结果如图3 所示。

图3 电感Q=15时，不同LC取值对应的滤波效果

结合滤波深度和带宽的综合考虑，最终确定L=2 nH，C=376 fF 可以实现近似15 dB 的干扰抑制度，同时满足UWB 所需带宽。考虑工艺和温度对无源器件的影响，设计3 位控制字的可调谐电容阵列，以求能在全部工艺角和温度以及电源电压的变化下将滤波频率稳定在5.8 GHz。仿真结果如图4 所示，通过调谐，陷波滤波器可提供5.1～6.6 GHz的抑制频率。

图4 不同控制字下陷波滤波器的滤波表现

1.3 LNA的宽带设计

在LNA 并联反馈共源共栅结构的基础上，采用并联峰化技术来拓展LNA 的带宽。图5 是其示意图，其中C表示输出节点的等效电容。

图5 采用并联峰化谐振负载的共源共栅高频放大电路

式（4）是负载阻抗的表达式，ro表示从输出节点看向输入节点的阻抗，其值非常大，一般可忽略。将s=jω带入式（4）中得到式（5）所示的ZL和频率的关系。式（5）分子中的(ωL/R)2和分母中的(ωRC)2与(1-ω2LC)2共同补偿了ZL随频率的变化，有效扩展了带宽。

2 建模与仿真结果

采用SMIC 28 nm CMOS工艺，利用Cadence Virtuoso软件对LNA 进行了仿真，采用EMX 软件对电路进行了电磁建模。电磁建模前后仿真结果对比如图6 所示，其中建模后的曲线为实心标注，建模前为空心标注。由图6 可知，所设计的LNA 在5.8 GHz 处可提供14.6 dB 的噪声抑制。受5.8 GHz 噪声抑制特性的影响，该频率下的噪声和S11 曲线有凸起，符合预期。增益方面，对LNA 进行电磁建模前后S21 分别为23.77～25.06 dB 和22.77～24.51 dB，噪声系数建模前后分别为2.11～2.57 dB 和2.35～2.82 dB，由于寄生电容的存在，建模后高频处噪声恶化较多。由于电感寄生对匹配电路影响较大，S11 和S22 变化较大，但整体仍符合小于-10 dB 的要求。

图6 EMX建模前后仿真结果对比

表1 是所设计的LNA 和其他具有片上滤波器的超宽带LNA 性能对比。其他LNA 的噪声系数仿真结果普遍超过5 dB，增益均不超过24 dB，而该设计的噪声系数较小，介于2.35 dB 到2.82 dB之间，且在仅消耗10.7 mW 的功耗的情况下实现了24.51 dB 的增益。

表1 文中LNA与其他带有片上陷波滤波器的LNA的性能指标对比

3 结论

基于SMIC 28 nm CMOS工艺，利用Cadence Virtuoso软件设计了一种具有带外噪声信号抑制功能的全集成可调谐的适用于超宽带无线通信技术低噪声放大器，并对其进行了电磁建模和仿真分析。仿真结果表明，所设计的低噪声放大器在增益、噪声系数和匹配度方面性能较优，尤其是噪声较低时，带内噪声系数较小，介于2.35 dB 到2.82 dB 之间，而在包含偏置电路时的直流功耗仅为10.7 mW。同时，该设计采用了并联峰化技术拓展了LNA 的频宽，能够很好地满足UWB 上边带通信协议的要求。