超帶寬UWB（Ultra-Wideband）技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng),、傳輸速率高、帶寬極寬,、功耗傳輸?shù)偷葍?yōu)勢(shì),，近年來已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，并在短距離傳輸,、高速無線LAN和成像處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1],。不論在傳統(tǒng)的無線接收結(jié)構(gòu)還是在UWB接收系統(tǒng)中，低噪聲放大器LNA(Low-Noise Amplifier)作為射頻前端的關(guān)鍵器件,，有著至關(guān)重要的作用,。其可在盡可能低地引入額外噪聲的情況下放大微弱信號(hào)，同時(shí)具有良好的噪聲性能,、合理的平坦增益,、良好輸入輸出匹配程度和較高的線性度等特性,。
    在傳統(tǒng)的UWB LNA設(shè)計(jì)中，一般采用分布式和并聯(lián)電阻反饋式技術(shù),。分布式技術(shù)具有較好的寬帶特性和輸入匹配特性,，但功耗和芯片面積較大，并且噪聲系數(shù)NF（Noise Figure）較高,。而反饋式技術(shù)的額外電阻會(huì)導(dǎo)致噪聲性能的惡化,，因此不太適合LNA設(shè)計(jì)。濾波器匹配結(jié)構(gòu)是目前較流行的UWB LNA結(jié)構(gòu),，其擁有良好的增益平坦度和較優(yōu)的噪聲性能等優(yōu)點(diǎn),，而窄帶PCSNIM結(jié)構(gòu)的NF、輸入輸出阻抗匹配和功耗等指標(biāo)性能較好,。因此,，本文設(shè)計(jì)思路是在窄帶PCSNIM LNA的輸入輸出端引入高階帶通濾波器，這樣既保證了噪聲性能,、阻抗匹配和功耗等指標(biāo)不被惡化,，更能拓展系統(tǒng)的寬帶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，此方案取得了不錯(cuò)的效果,。
1 超寬帶低噪聲放大器（UWB LNA）的提出
    UWB LNA的電路如圖1所示,，其中I_DC,、M3和R1構(gòu)成偏置電路，I_DC提供穩(wěn)定的偏置電流,，其值為60 μA,。晶體管M1與M3在直流工作時(shí)形成電流鏡；電阻R1可減少偏置電路對(duì)輸入的影響并補(bǔ)償M3管的柵源極電容（Cgs）效應(yīng),，其取值為3 000 Ω,；NMOS型的 M1管源極接源簡(jiǎn)并反饋電感Ls，構(gòu)成去耦電路,，以降低系統(tǒng)Q值和系統(tǒng)功耗,；附加電容Ce可優(yōu)化噪聲系數(shù)和Ls值，從而減少系統(tǒng)的芯片面積,；分立元件L1,、L2、L3,、C1和C0構(gòu)成五階T型LC濾波網(wǎng)絡(luò),，以拓展輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的寬帶； M2提供良好的反向隔離度,，并能有效抑制M1管的Miller效應(yīng),；為折中考慮噪聲性能和功耗等指標(biāo)，需合理選擇M1和M2管的柵寬，一般取M1和M2尺寸相同(為80 μm),； M1和M2的級(jí)間匹配由Lm和Cm構(gòu)成,，能彌補(bǔ)電容Ce引起的增益下降，并可適當(dāng)優(yōu)化電路的噪聲性能,；M2漏端L4,、Rd和C2形成并聯(lián)低Q值負(fù)載結(jié)構(gòu)，以提高輸出網(wǎng)絡(luò)匹配程度和減少輸出回波損耗,。此外,，電阻Rd還可提高電路的穩(wěn)定度； C3,、C4,、C5、L5和L6構(gòu)成五階T型LC濾波網(wǎng)絡(luò),，具有擴(kuò)展輸出帶寬和選頻的功能,。

2 理論分析
    圖2為典型的窄帶PCSNIM LNA電路結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)并電感LS值在不是很大情況下,，能較容易地實(shí)現(xiàn)噪聲和輸入阻抗的同時(shí)匹配,，并能降低系統(tǒng)的功耗。然而LS不能太大,，否則會(huì)導(dǎo)致電路噪聲系數(shù)的惡化,。為解決功耗和噪聲性能相互矛盾的問題，可在晶體管M1的柵源極并聯(lián)一附加電容Ce,。LS和最小噪聲系數(shù)表達(dá)式如下：

 
其中,，c為柵-漏極噪聲的相關(guān)系數(shù)；δ為與工藝相關(guān)的噪聲參數(shù),，且δ=2γ,；ωT為特征頻率，取決于CMOS工藝而與晶體管尺寸無關(guān),；Ct=Ce+Cgs,，Cgs≈(2/3)WLCOX。由式(2)可以看出,，最小噪聲系數(shù)表達(dá)式不包含Ce,，說明額外電容Ce并沒有惡化LNA的噪聲性能，且與電感LS成反比,，從而達(dá)到穩(wěn)定噪聲因子Fmin的目的,。
    在理想的輸入阻抗匹配條件下，UWB LNA電壓增益Av與Ct的平方根成反比,，說明引入Ce后,，系統(tǒng)的增益會(huì)隨之降低,。由于M1的輸出阻抗和M2的輸入阻抗都呈容性[2]，為解決Ce所引起的電壓增益下降的問題,，可在晶體管M1和M2之間引入一并聯(lián)電感Lm和電容Cm,，級(jí)間匹配如圖3所示，電感Lm和電容Cm與Cgs2（M2柵源極寄生電容）,、Cgd1（M1柵漏極寄生電容）諧振,，抵消Cgd1所引起的M1輸出容抗與Cgs2引起的M2輸入容抗，進(jìn)而提高系統(tǒng)增益和優(yōu)化噪聲性能,。

3 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
    為完成寬帶的輸入阻抗匹配,，可在輸入端引入L2、L3和C0以構(gòu)成三階T型LC濾波網(wǎng)絡(luò),，并在此基礎(chǔ)上通過加入無源器件L1和C1來擴(kuò)展UWB的寬帶,，如圖4所示。窄帶PCSNIM LNA的輸入匹配阻抗Zin由式(3)確定[3]：

4 仿真結(jié)果分析
    設(shè)計(jì)了一個(gè)基于TSMC 0.18 ?滋m CMOS工藝元件庫的超寬帶LNA,，采用Agilent公司的ADS2008軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噪聲系數(shù),、增益,、線性度和穩(wěn)定度等性能指標(biāo)都取得了較理想的效果。電路采用1.8 V直流電源供電,，電流消耗為5.89 mA,，功耗約為10.6 mW。
    S參數(shù)分析：S11仿真對(duì)比如圖5所示,，在UWB頻段間,，引入電容Ce后,，LNA的S11仿真結(jié)果：頻率為3 GHz時(shí),，S11=-14.342 dB；頻率為5 GHz時(shí),，S11=-14.868 dB,。S11越小，電路的輸入回波損耗就越小,，說明電容Ce的引入可大大減少系統(tǒng)的輸入回波損耗,，從而實(shí)現(xiàn)輸入阻抗的匹配。圖6是正向增益S21的對(duì)比圖,，其中實(shí)線,、虛線分別為引入電容Ce前后的仿真結(jié)果，叉線為引入級(jí)間匹配后的結(jié)果,。仿真結(jié)果表明,，引入Ce會(huì)導(dǎo)致增益的惡化,，而級(jí)間匹配可彌補(bǔ)Ce導(dǎo)致的增益下降，最終平均增益超過了13 dB,。S22和S12仿真結(jié)果如圖7所示,，引入輸出并聯(lián)負(fù)載結(jié)構(gòu)后，在整個(gè)UWB頻段內(nèi),，S22<-14 dB,，說明并聯(lián)結(jié)構(gòu)能有效改善輸出反射值，系統(tǒng)的回波損耗得到了改善,，從而防止信號(hào)泄露和增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性,；而S12<-50 dB，說明電路的反向隔離度較好,。

    噪聲性能和穩(wěn)定性分析：噪聲系數(shù)仿真如圖8所示,，噪聲系數(shù)NF：0.875 dB<NF<4.072 dB，平均值為2.47 dB,，最小噪聲系數(shù)NFmin<0.988,，說明引入電容Ce和級(jí)間匹配后，LNA電路得了較優(yōu)的噪聲系數(shù),。穩(wěn)定性仿真如圖9所示,，在整個(gè)頻帶內(nèi)其值范圍為31.315<StabFact1<69.842，MU1為負(fù)載穩(wěn)定系數(shù)測(cè)量值,，值大于6,，StabFact1和MU1都恒大于1，表明系統(tǒng)是無條件穩(wěn)定的,。

    線性度仿真分析：4.2 GHz時(shí)雙音輸出頻譜圖如圖10所示,。圖中的B1為輸出三階互調(diào)失真信號(hào)的功率，記為PIMD,， B2為輸出基波信號(hào)的功率,，記為PFind。IIP3表達(dá)式為：IIP3=（&Delta;P/2）+Pin,，Pin為輸入功率,，設(shè)為-40 dBm，?駐P=PFind－PIMD,，將圖中數(shù)據(jù)代入公式可得4.2 GHz 時(shí)的IIP3值為5.79 dBm,。同理，當(dāng)輸出頻譜為3.6 GHz時(shí),，IIP3值為5.61 dBm,。經(jīng)過多個(gè)中心頻率測(cè)試，最終可得UWB LNA的IIP3的平均值約為5.35 dB,，說明電路取得了較好的線性度,。

    本文設(shè)計(jì)了一款具有低噪聲,、高線性度等特性的UWB LNA。提出的LNA基于窄帶PCSNIM結(jié)構(gòu),，并在其
輸入輸出端引入了高階帶通濾波器,。仿真結(jié)果表明，電路獲得了約為13.5 dB的正向增益和0.875 dB～4.072 dB的噪聲系數(shù),。此外,，線性度和功耗等性能方面也取得了不錯(cuò)的效果。
參考文獻(xiàn)
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