3 GHz～5 GHz超宽带噪声系数稳定的低噪声放大器

王宁章，高 雅，宁 吉，徐 辉

（广西大学 计算机与电子信息学院，广西 南宁 530004）

随着美国联邦通信委员会(FCC)划分3.1 GHz～10.6 GHz为民用频谱之后，超宽带UWB(Ultra-WideBand)技术因其具有较高的安全性能、较快传输速率以及在成本与功耗方面的明显优势，得到了国内外研究学者的广泛关注，尤其是在无线通信领域[1]。该技术适用于中短距离传输，范围一般约10 m。UWB低噪声放大器LNA(Low Noise Amplifier)作为无线接收机中的第一个有源器件，目的是将从天线上接收到的微弱信号进行放大，同时尽可能低地引入噪声，在整个系统中起着至关重要的作用。CMOS工艺凭借与数字基带电路大规模集成和低成本两大自身特点，成为本方案超宽带、低噪放电路设计的首选工艺。

目前较流行的实现超宽带的匹配方法有3种[2]，分别是电阻并联反馈式结构、分布式结构、LC带通滤波器。电阻并联反馈式结构的缺点在于引入了热噪声，同时寄生电容降低了高频范围的性能；分布式结构虽然有高增益及良好的宽频特性，但是所需的面积较大，难以集成且功耗较大；LC带通滤波器方法是在国外比较流行的匹配方式，在噪声和线性度方面都有较好的效果，能够有效地拓宽频带，但是这项研究在国内还不太成熟。

本文提出了一种采用0.18μm CMOS工艺在3 GHz～5 GHz的频带范围内实现超宽带、低噪声放大器的设计方案。在输入、输出匹配中引入较为流行的LC网络——二阶巴特沃斯带通滤波器，主体放大器为共源共栅及源极负反馈电感。该设计方案获得了良好的噪声系数NF(Noise Figure)，即NF＜1.647 dB，且增益最大为15 dB。

1 电路设计

1.1 输入阻抗匹配

完整的电路图(如图4所示)中L1、C1、Lg、Ct构成了二阶巴特沃斯带通滤波器的输入匹配。其中Ct=Cp+Cgs1，Cgs1是输入晶体管M1的栅源极的电容。由于Cgs1的电容值有限，所以加入Cp作为补偿电容；Ls是源极负反馈电感，用来加强增益的平坦度。

输入匹配等效小信号电路图如图1所示，若隔直电容C2忽略不计，则LNA的输入阻抗为：

其中，W0为中心频率，本文将频率设置在3 GHz～5 GHz，故。由于输入匹配阻抗Zin达到50Ω，即Zin=Rs，因此能得到良好的输入匹配。

栅源电容的计算公式为：

其中，W是M1的栅宽，Cox为单位面积的栅氧化层电容。联立式(2)、式(3)可计算出Ls元件值。根据二阶巴特沃斯带通滤波器元件参数值，在其基础上结合整体电路进行微调，便能得到具体的各个元件值：L1=2.25 nH，C1=580 fF，Lg=2.12 nH，Cp=220 fF。

1.2 输出匹配

如图2所示，源极跟随器M4、电流源I_DC和二阶巴特沃斯带通滤波器组成了放大器的输出匹配。在一定的电源电压下，想要驱动一个低阻抗负载，需要在放大器后放置一个电压恒定的元件，本文选用源极跟随器（即“缓冲器”），使得放大器的输出电压不会随输出阻抗的变化而变化，保证了放大效果。M4作为缓冲器，为节省系统功耗，栅宽值应较小；电流源I_DC为源极跟随器提供电流，取值为4 mA；L22、C22、L33、C33组成了二阶巴特沃斯带通滤波器，目的是保证输出阻抗为50Ω，改善增益以及减少输出驻波比。在巴特沃斯带通滤波器元件参数值的基础上，结合整体电路对各个值进行微调。

图2 放大器的输出匹配原理图

1.3 噪声分析

放大器电路的总噪声为：

噪声主要来源于放大器的第一级网络，而第一级网络的噪声为：

其中，Pno是M1管的内部噪声的输出功率，Pno与放大管的跨导gm成反比关系；信号源内阻的噪声功率Pso=4KTRsΔf；G是功率增益[3]。

其中，针对0.18μm下的MOSFET，ωT为谐振频率，假定ωT=2π×80 GHz，=1.5，gdo是源漏电压为0时的输出跨导，μn是电子迁移率，Esat表示沟道饱和电场。式(6)～式(8)表明，主要影响系统最小噪声的是M1放大管的栅宽值W，即设计合理的栅宽大小是这一部分的难点。由图3仿真结果得知，W分别取200μm、220μm、240μm、260μm时，噪声范围曲线随着W的变大而变小；同时W的取值也不能太大，因为W太大会严重恶化输入回波损耗S11的值，同时也影响到放大器的增益值。综合多个因素，M1的栅宽值取240μm。

1.4 CMOS LNA设计

图4展示了完整的放大器电路图，R1、M3、Rf组成了简单的偏置电路，用来确定静态工作点。晶体管MI与M3形成了电流镜，Rf是阻值较大的电阻，一般为2.5 kΩ～3 kΩ，目的是减少偏置电路的电流对主体放大器的影响。作为偏置电路，为了减少整个系统的功耗，M3的栅宽值较小。L1、C1、Lg、Cp组成了二阶巴特沃斯带通滤波器。LS是源极负反馈电感，构成去耦电路，降低系统的品质因数Q值，增加了增益的平坦度。M1和M2组成了共源共栅电路，M2管能有效地减少M1管的栅漏电容引起的密勒效应，且在工作频段能够提供比较高的增益和稳定性。Cm是隔直电容，用来减少晶体管M1的漏极与M2的栅极之间存在的寄生电容，可以优化噪声。Ld作为输出负载，与输出寄生电容产生谐振，减小噪声系数，Co为耦合电容，Ld与Co共同组成了耦合负载电路。I_DC为M4放大管提供电流，M4、L22、C22、L33、C33组成了输出匹配网络，提高了匹配程度。

2 ADS仿真结果与分析

本文采用ADS平台对所设计的3 GHz～5 GHz频带内的超宽带、低噪声放大器进行仿真，衡量放大器的主要指标包括S参数、噪声系数、稳定性、线性度。

(1)S参数分析

S11、S22代表输入、输出的回波损耗。 如图5所示，在3 GHz～5 GHz频带范围内S11＜-10.185 dB，S22＜-14.544 dB，结果表明放大器输入、输出匹配良好。如图6所示，在3 GHz频率点上，增益S21为12.295 dB；在5 GHz频率点上，增益为15.170 dB，带内增益波动小于3 dB，表明增益较平坦，保证了放大器的放大效果。

图6 S21仿真结果图

(2)噪声系数分析

放大器对噪声系数有较严格的要求，噪声的大小决定了放大器的灵敏度。如图7所示，噪声系数nf(2)在5 GHz频率点（最大点）为1.647 dB，NFmin在5 GHz频率点（最大点）为1.324 dB，达到了较好的指标。

图7 噪声系数结果图

(3)稳定性

稳定性是电路正常工作的必要条件。在3 GHz～5 GHz之间stabFact1均大于1，如图8所示。可见LNA是无条件稳定的；仿真线性度1 dB压缩点为-5.388 dB，表明了电路有较好的线性度。表1给出了与近期公开发表的CMOS超宽低噪放设计结果进行的比较，由表中可见，该设计的突出特点为在保证了增益等指标的前提下，噪声系数达到了比较好的效果。

图8 稳定性指标仿真图

表1 超宽带、低噪声放大器结果

本文设计了一款具有较低噪声的UWB LNA，提出了输入、输出匹配均采用巴特沃斯带通滤波器完成的电路；同时结合共源共栅及源极负反馈结构的特点，合理地选择栅宽大小，大大减少了噪声干扰。仿真结果表明，在3 GHz～5 GHz范围内，增益大于12 dB且增益平坦，有效抑制了后级混频器的噪声，噪声系数小于1.647 dB，在设计的频率范围内只有0.5 dB的变化；在1.8 V电压下，功耗为13.2 mW，该电路具有一定的应用价值。

[1]何小威，李晋文，张民选.1.5～6 GHz增益和噪声系数稳定的两级超宽带CMOS低噪声放大器设计与性能模拟[J].电子学报，2010，38(7)：1668-1672.

[2]KIM C W，KANG M S，ANH P A，et al.An ultra-wideband CMOS low noise amplifier for 3～5 GHz UWB system[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2005，40(2)：544-547.

[3]桑泽华，李永明.一种应用于超宽带系统的宽带LNA的设计[J].微电子学，2006，36(1)：114-117.

[4]华明清，王志功，李志群.0.18μm CMOS 3.1～10.6 GHz超宽带低噪声放大器设计[J].电路与系统学报，2007，36(12)：44-47.

[5]GALAL A I A，POKHAREL R K，KANAYA H，et al.3～7 GHz low power wide-band common gate low noise amplifier in 0.18μm CMOS process[C].On Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference，2010：342-345.