文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)07-0031-04
隨著美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)劃分3.1 GHz～10.6 GHz為民用頻譜之后，超寬帶UWB(Ultra-WideBand)技術(shù)因其具有較高的安全性能,、較快傳輸速率以及在成本與功耗方面的明顯優(yōu)勢(shì),，得到了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，尤其是在無(wú)線通信領(lǐng)域[1],。該技術(shù)適用于中短距離傳輸,，范圍一般約10 m。UWB低噪聲放大器LNA(Low Noise Amplifier)作為無(wú)線接收機(jī)中的第一個(gè)有源器件,，目的是將從天線上接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)盡可能低地引入噪聲,，在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用,。CMOS工藝憑借與數(shù)字基帶電路大規(guī)模集成和低成本兩大自身特點(diǎn)，成為本方案超寬帶,、低噪放電路設(shè)計(jì)的首選工藝,。
目前較流行的實(shí)現(xiàn)超寬帶的匹配方法有3種[2]，分別是電阻并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu),、分布式結(jié)構(gòu),、LC帶通濾波器。電阻并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于引入了熱噪聲，同時(shí)寄生電容降低了高頻范圍的性能,；分布式結(jié)構(gòu)雖然有高增益及良好的寬頻特性,，但是所需的面積較大，難以集成且功耗較大,；LC帶通濾波器方法是在國(guó)外比較流行的匹配方式,，在噪聲和線性度方面都有較好的效果，能夠有效地拓寬頻帶,，但是這項(xiàng)研究在國(guó)內(nèi)還不太成熟,。
本文提出了一種采用0.18 μm CMOS工藝在3 GHz～5 GHz的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超寬帶,、低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方案,。在輸入、輸出匹配中引入較為流行的LC網(wǎng)絡(luò)——二階巴特沃斯帶通濾波器,，主體放大器為共源共柵及源極負(fù)反饋電感,。該設(shè)計(jì)方案獲得了良好的噪聲系數(shù)NF(Noise Figure)，即NF<1.647 dB,，且增益最大為15 dB,。
1 電路設(shè)計(jì)
1.1 輸入阻抗匹配
完整的電路圖(如圖4所示)中L1、C1,、Lg,、Ct構(gòu)成了二階巴特沃斯帶通濾波器的輸入匹配。其中Ct=Cp+Cgs1,，Cgs1是輸入晶體管M1的柵源極的電容,。由于Cgs1的電容值有限，所以加入Cp作為補(bǔ)償電容,；Ls是源極負(fù)反饋電感,，用來(lái)加強(qiáng)增益的平坦度。
輸入匹配等效小信號(hào)電路圖如圖1所示,，若隔直電容C2忽略不計(jì)，則LNA的輸入阻抗為：
噪聲主要來(lái)源于放大器的第一級(jí)網(wǎng)絡(luò),，而第一級(jí)網(wǎng)
M3形成了電流鏡,，Rf是阻值較大的電阻，一般為2.5 kΩ～3 kΩ,，目的是減少偏置電路的電流對(duì)主體放大器的影響,。作為偏置電路，為了減少整個(gè)系統(tǒng)的功耗,，M3的柵寬值較小。L1、C1,、Lg,、Cp組成了二階巴特沃斯帶通濾波器,。LS是源極負(fù)反饋電感,，構(gòu)成去耦電路,，降低系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)Q值,，增加了增益的平坦度。M1和M2組成了共源共柵電路,，M2管能有效地減少M(fèi)1管的柵漏電容引起的密勒效應(yīng),，且在工作頻段能夠提供比較高的增益和穩(wěn)定性。Cm是隔直電容,，用來(lái)減少晶體管M1的漏極與M2的柵極之間存在的寄生電容,，可以優(yōu)化噪聲。Ld作為輸出負(fù)載,，與輸出寄生電容產(chǎn)生諧振,，減小噪聲系數(shù)，Co為耦合電容,，Ld與Co共同組成了耦合負(fù)載電路,。I_DC為M4放大管提供電流，M4,、L22,、C22、L33,、C33組成了輸出匹配網(wǎng)絡(luò),，提高了匹配程度。
2 ADS仿真結(jié)果與分析
本文采用ADS 平臺(tái)對(duì)所設(shè)計(jì)的3 GHz～5 GHz頻帶內(nèi)的超寬帶,、低噪聲放大器進(jìn)行仿真,，衡量放大器的主要指標(biāo)包括S參數(shù)、噪聲系數(shù),、穩(wěn)定性,、線性度。
(1)S參數(shù)分析
S11,、S22代表輸入、輸出的回波損耗,。如圖5所示,，在3 GHz～5 GHz頻帶范圍內(nèi)S11<-10.185 dB,，S22<-14.544 dB，結(jié)果表明放大器輸入,、輸出匹配良好,。如圖6所示，在3 GHz頻率點(diǎn)上,，增益S21為12.295 dB,；在5 GHz頻率點(diǎn)上，增益為15.170 dB,，帶內(nèi)增益波動(dòng)小于3 dB,，表明增益較平坦，保證了放大器的放大效果,。
(2)噪聲系數(shù)分析
放大器對(duì)噪聲系數(shù)有較嚴(yán)格的要求,，噪聲的大小決定了放大器的靈敏度。如圖7所示,，噪聲系數(shù)nf(2)在5 GHz頻率點(diǎn)（最大點(diǎn)）為1.647 dB,，NFmin在5 GHz頻率點(diǎn)（最大點(diǎn)）為1.324 dB,，達(dá)到了較好的指標(biāo),。
本文設(shè)計(jì)了一款具有較低噪聲的UWB LNA，提出了輸入,、輸出匹配均采用巴特沃斯帶通濾波器完成的電路,；同時(shí)結(jié)合共源共柵及源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理地選擇柵寬大小,，大大減少了噪聲干擾,。仿真結(jié)果表明，在3 GHz～5 GHz范圍內(nèi),，增益大于12 dB且增益平坦,，有效抑制了后級(jí)混頻器的噪聲，噪聲系數(shù)小于1.647 dB,，在設(shè)計(jì)的頻率范圍內(nèi)只有0.5 dB的變化,；在1.8 V電壓下,，功耗為13.2 mW,，該電路具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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