3 GHz～5 GHz CMOS超宽带低噪声放大器设计

摘  要： 提出了一个低噪声、高线性的超宽带低噪声放大器（UWB LNA）。电路由窄带PCSNIM LNA拓扑结构和并联低Q负载结构组成，采用TSMC 0.18 μm RFCMOS工艺，并在其输入输出端引入了高阶带通滤波器。仿真结果表明，在1.8 V直流电压下LNA的功耗约为10.6 mW。在3 GHz～5 GHz的超宽带频段内，增益约为13.5 dB，输入、输出回波损耗S11、S22均小于-14 dB，噪声系数（NF）为0.875 dB～4.072 dB，三阶交调点IIP3均值为5.35 dB。
关键词： CMOS；超宽带；低噪声放大器；高阶带通滤波器；并联低Q值负载结构
   　超带宽UWB（Ultra-Wideband）技术具有抗干扰能力强、传输速率高、带宽极宽、功耗传输低等优势，近年来已成为国内外的研究热点，并在短距离传输、高速无线LAN和成像处理等领域得到了广泛应用[1]。不论在传统的无线接收结构还是在UWB接收系统中，低噪声放大器LNA(Low-Noise Amplifier)作为射频前端的关键器件，有着至关重要的作用。其可在尽可能低地引入额外噪声的情况下放大微弱信号，同时具有良好的噪声性能、合理的平坦增益、良好输入输出匹配程度和较高的线性度等特性。
     在传统的UWB LNA设计中，一般采用分布式和并联电阻反馈式技术。分布式技术具有较好的宽带特性和输入匹配特性，但功耗和芯片面积较大，并且噪声系数NF（Noise Figure）较高。而反馈式技术的额外电阻会导致噪声性能的恶化，因此不太适合LNA设计。滤波器匹配结构是目前较流行的UWB LNA结构，其拥有良好的增益平坦度和较优的噪声性能等优点，而窄带PCSNIM结构的NF、输入输出阻抗匹配和功耗等指标性能较好。因此，本文设计思路是在窄带PCSNIM LNA的输入输出端引入高阶带通滤波器，这样既保证了噪声性能、阻抗匹配和功耗等指标不被恶化，更能拓展系统的宽带。实验结果表明，此方案取得了不错的效果。
1 超宽带低噪声放大器（UWB LNA）的提出
     UWB LNA的电路如图1所示，其中I_DC、M3和R1构成偏置电路，I_DC提供稳定的偏置电流，其值为60 μA。晶体管M1与M3在直流工作时形成电流镜；电阻R1可减少偏置电路对输入的影响并补偿M3管的栅源极电容（Cgs）效应，其取值为3 000 Ω；NMOS型的 M1管源极接源简并反馈电感Ls，构成去耦电路，以降低系统Q值和系统功耗；附加电容Ce可优化噪声系数和Ls值，从而减少系统的芯片面积；分立元件L1、L2、L3、C1和C0构成五阶T型LC滤波网络，以拓展输入匹配网络的宽带； M2提供良好的反向隔离度，并能有效抑制M1管的Miller效应；为折中考虑噪声性能和功耗等指标，需合理选择M1和M2管的栅宽，一般取M1和M2尺寸相同(为80 μm)； M1和M2的级间匹配由Lm和Cm构成，能弥补电容Ce引起的增益下降，并可适当优化电路的噪声性能；M2漏端L4、Rd和C2形成并联低Q值负载结构，以提高输出网络匹配程度和减少输出回波损耗。此外，电阻Rd还可提高电路的稳定度； C3、C4、C5、L5和L6构成五阶T型LC滤波网络，具有扩展输出带宽和选频的功能。
   
   2 理论分析
     图2为典型的窄带PCSNIM LNA电路结构。简并电感LS值在不是很大情况下，能较容易地实现噪声和输入阻抗的同时匹配，并能降低系统的功耗。然而LS不能太大，否则会导致电路噪声系数的恶化。为解决功耗和噪声性能相互矛盾的问题，可在晶体管M1的栅源极并联一附加电容Ce。LS和最小噪声系数表达式如下：