文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.012
中文引用格式： 王寧章,，雷琳琳，閔仁江. 基于切比雪夫網(wǎng)絡(luò)修正的噪聲優(yōu)化超寬帶LNA設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2015,，41(10)：49-51，54.
英文引用格式： Wang Ningzhang,，Lei Linlin,，Min Renjiang. Design of ultra wideband LNA based on the modified Chebyshev network by noise optimization[J].Application of Electronic Technique，2015,，41(10)：49-51,，54.
0 引言
無線傳輸設(shè)備正向微型化,、高性能以及兼容化（單個終端集成多個領(lǐng)域的應(yīng)用）的方向發(fā)展[1],，超寬帶技術(shù)作為一種面向低復(fù)雜度、低成本,、低功耗,、高數(shù)據(jù)傳輸率的短距離互聯(lián)技術(shù),，已成為研究熱點之一[2]。低噪聲放大器作為無線通信接收系統(tǒng)的第一個模塊,對整個系統(tǒng)的性能起著舉足輕重的作用,。本文提出了一種基于0.18 μm CMOS工藝在3.1~10.6 GHz頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)高噪聲性能的LNA設(shè)計方案,，在輸入端引用切比雪夫網(wǎng)絡(luò)，主體放大器為帶源級負(fù)反饋電感的共源共柵結(jié)構(gòu),，并對其采用噪聲消除技術(shù),，消除溝道熱噪聲，從而使整個頻帶內(nèi)NF降低到1.5 dB~2.3 dB,，增益保持在15 dB~20 dB,，具有優(yōu)越性。
1 超寬帶輸入匹配
本設(shè)計采用在cascode結(jié)構(gòu)之前加入三階切比雪夫濾波器結(jié)構(gòu)（降低輸入阻抗的虛部到零）作為輸入端,，選用三個極點來實現(xiàn)3.1~10.6 GHz寬頻帶的輸入匹配,。
圖1為UWB LNA的輸入匹配圖，其中L1,、C1,、L2、C2,、Lg和Cp構(gòu)成了三階的切比雪夫濾波器,。這種結(jié)構(gòu)不僅能解決超寬帶匹配難的問題，而且還可以對前端接收天線的非理想性進(jìn)行修正,。雖然引入電感,，但可以省去LNA以及后續(xù)混頻器對信號相位的修正工序，簡化了電路的復(fù)雜度,。輸入等效電路圖如圖2所示,。
帶有源極電感負(fù)反饋的晶體管的輸入阻抗是一種串聯(lián)RLC電路的形式[3]。
輸入阻抗為：
計算出三階切比雪夫濾波器的參數(shù)值,。其中,，p是濾波器帶內(nèi)波動系數(shù)。最后,，再對網(wǎng)絡(luò)右側(cè)的電感 Lg和補償電容 Cp的值進(jìn)行修正,。
根據(jù)以上設(shè)計流程，對應(yīng)3.1~10.6 GHz的輸入匹配電路,，三階切比雪夫濾波器各元件的參數(shù)值為：
L1=1.05 nH,，C1=751.6 fF，L2=1.86 nH,，C2=680.06 fF,，Lg=1.22 nH，Cp=102 fF,。
2 噪聲消除技術(shù)
在MOSFET中,，有兩個主要的噪聲源：噪聲和熱噪聲,。在射頻設(shè)計中，前者可以忽略不計,，熱噪聲占主導(dǎo)地位,。晶體管M1的噪聲模型如圖3所示,。
ind為漏級溝道熱噪聲,，ing感應(yīng)柵噪聲。這兩個噪聲源之間有一定的相關(guān)性[5],，ing由ind前饋感應(yīng)而成,，故針對MOSFET管的溝道熱噪聲ind進(jìn)行噪聲消除。如圖4,，共柵管M1的溝道熱噪聲ind,，M1，從Y點流出,，在X流入[6],。在這兩點產(chǎn)生兩個完全相關(guān)但是完全反相的噪聲電壓，分別由M2和M3轉(zhuǎn)換成反相電流,。共柵級晶體管M1在X點和Y點產(chǎn)生的兩個同相信號電壓,，同樣分別由M2和M3轉(zhuǎn)換成反相電流。故在輸出端,，有用信號疊加增強,，而噪聲信號被反相抵消。
3 整體設(shè)計及參數(shù)設(shè)定
在借鑒文獻(xiàn)[7]所述的共柵級噪聲消除原理的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),，對cascade結(jié)構(gòu)上對噪聲進(jìn)行消除,。所設(shè)計的應(yīng)用噪聲消除技術(shù)的UWB LNA 設(shè)計原理圖如圖5。超寬帶的輸入網(wǎng)絡(luò)由三階切比雪夫組成,，選用三個極點保證3~10 GHz的帶內(nèi)阻抗匹配,。同時對天線的非理想性進(jìn)行修正。輸出匹配采用源級跟隨器,。放大管主要由采用噪聲消除技術(shù)的兩級cascade結(jié)構(gòu)組成,。M1和M2構(gòu)成第一級cascade結(jié)構(gòu)，增大M2漏端電阻,，提高M(jìn)1源端與其之間的隔離度,。由于M2的溝道噪聲影響很小，可忽略不計,，所以主要分析M1溝道噪聲消除的原理,。M1共柵級結(jié)構(gòu)，溝道熱噪聲在X與Y節(jié)點產(chǎn)生相位相反的噪聲電壓,，比例為Rl/Rs,。有用信號在X與Y節(jié)點產(chǎn)生同相的信號電壓,。Ll用來與寄生電容產(chǎn)生諧振，提高晶體管高頻增益[6],。M3和M4構(gòu)成第二級cascade結(jié)構(gòu),，提供gm3/gm4的疊加比。
根據(jù)此式,，合理設(shè)置晶體管的柵寬和電阻阻值,，就可實現(xiàn)噪聲的消除，達(dá)到超寬帶低噪聲放大器噪聲優(yōu)化的目標(biāo),。
4 仿真與分析
基于TSMC公司的0.18 μm標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計了3~10 GHz的超寬帶低噪聲放大器,，在安捷倫ADS2008U2平臺上進(jìn)行仿真。根據(jù)計算結(jié)果設(shè)定參數(shù),，并經(jīng)過適當(dāng)修正與調(diào)整,，得到如圖6～圖9所示的仿真結(jié)果。
由圖6所示,，三階切比雪夫濾波器利用三個極點,，保證電路在3 GHz~10 GHz頻率范圍內(nèi)，輸入反射系數(shù)S11小于-11 dB,，有良好的輸入匹配性能,。輸出端采用源級跟隨器，仿真結(jié)果如圖7所示,，輸出反射系數(shù)S22小于-10 dB,。因此表明該設(shè)計能夠保證電路有良好的輸入輸出匹配，有效減少了信號的反射,。兩級cascade結(jié)構(gòu)的放大設(shè)計,，使增益最高可達(dá)到約15 dB，且?guī)?nèi)增益平坦,，如圖9所示,。圖8所顯示的噪聲系數(shù)，在頻帶3 GHz~10 GHz范圍內(nèi)能夠保持在1.5~2.3,。從仿真結(jié)果來看,，隨著頻率的增高，NF具有上升的趨勢,，這是由于寄生效應(yīng)的復(fù)雜性隨頻率的增加而增加,，與理論曲線相一致。仿真結(jié)果表明,，通過這種設(shè)計,，使電路的噪聲性能達(dá)到了較優(yōu)的效果。
5 結(jié)論
本文設(shè)計了一款采用噪聲消除技術(shù)的3~10 GHz超寬帶低噪聲放大器。在該設(shè)計中,，輸入端采用三階切比雪夫濾波器,，設(shè)置三個極點，解決了超寬帶輸入阻抗難以匹配的難題,，并且仿真結(jié)果表明,，輸入端達(dá)到了良好的匹配效果。放大器在經(jīng)典的cascade結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,，采用改進(jìn)的噪聲消除技術(shù),，使噪聲系數(shù)最低達(dá)到1.47 dB，且在3~10 GHz的整個帶寬內(nèi)只有0.8 dB的變化,，實現(xiàn)了較好的噪聲性能,。且仿真結(jié)果表明,，在此超寬帶的 頻帶內(nèi),，增益最高可達(dá)到15 dB，有效地抑制后級模塊的噪聲,。與其他文獻(xiàn)介紹的LNA相比,，本文設(shè)計的UWB LNA達(dá)到了較好的水平。
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