《電子技術(shù)應(yīng)用》
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采用新型電流舵結(jié)構(gòu)的增益可調(diào)UWB LNA
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第8期
張卿遠(yuǎn)，張萬(wàn)榮，丁春寶，邢光輝，周孟龍，高 棟，魯 東，霍文娟，邵翔鵬
北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124
摘要： 基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一款工作在3 GHz~5 GHz頻段的增益可調(diào)超寬帶低噪聲放大器（LNA）。LNA輸入級(jí)采用局部反饋的共柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超寬帶輸入匹配和良好的噪聲性能；放大電路級(jí)采用提出的新型電流舵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了放大器增益連續(xù)可調(diào)；輸出級(jí)采用源極跟隨器，獲得了良好的輸出匹配。利用ADS2009進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，在3 GHz~5 GHz工作頻段內(nèi)，LNA獲得了25 dB的增益可調(diào)范圍，最高增益達(dá)到24 dB，輸入端口反射系數(shù)小于-11 dB，輸出端口反射系數(shù)小于-14 dB，最小噪聲系數(shù)為2.3 dB，三階交調(diào)點(diǎn)（IIP3）為4 dBm，在1.2 V電壓下，電路功耗僅為8.8 mW。
中圖分類號(hào)： TN721.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)08-0033-04
A variable gain UWB LNA adopting a novel current steering structure
Zhang Qingyuan，Zhang Wanrong，Ding Chunbao，Xing Guanghui， Zhou Menglong，Gao Dong，Lu Dong，Huo Wenjuan，Shao Xiangpeng
College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China
Abstract： A variable gain UWB LNA operating in 3 GHz~5 GHz frequency range is presented based on TSMC 0.18 μm standard CMOS process. A common-gate structure with a local feedback stage is adopted in the input stage of the LNA to achieve ultra-wideband input match and optimize the noise performance. A novel current steering structure is proposed to realize the continuous variable gain of amplifiers. The output stage employs a source-follower to achieve excellent output match. The LNA is simulated and verified with ADS2009, the results show that the LNA operating in 3 GHz~5 GHz frequency range can realize a continuous gain tuning range of 25 dB, a maximum gain of 24 dB, an input reflection of less than -11 dB, an output reflection of less than -14 dB, a minimum noise figure of 2.3 dB, and an IIP3 of 4 dBm. The LNA consumes only 8.8 mW with a 1.2 V power supply.
Key words : ultra-wideband；CMOS；variable gain；low noise amplifier

    超寬帶（UWB）技術(shù)是一種低功耗、低成本、高傳輸速率、抗干擾性能強(qiáng)的短距離無(wú)線通信技術(shù)。UWB頻譜范圍為3.1 GHz~10.6 GHz，短距離傳輸速率高達(dá)480 MHz，甚至更高。因此，它在個(gè)人局域網(wǎng)、無(wú)線以太網(wǎng)接口鏈路等方面有著廣泛的市場(chǎng)前景。IEEE802.15.3標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)將3.1 GHz~5 GHz和6 GHz~10.6 GHz頻段作為個(gè)人局域網(wǎng)的工作頻段，3.1 GHz~5 GHz是現(xiàn)階段發(fā)展的熱點(diǎn)[1]。

    超寬帶低噪聲放大器是無(wú)線接收機(jī)的關(guān)鍵電路模塊，它影響著整個(gè)系統(tǒng)的帶寬、噪聲、功耗等性能。UWB無(wú)線接收機(jī)在接收信號(hào)時(shí)由于受環(huán)境、位置以及其他不確定因素的影響，接收機(jī)接到的信號(hào)幅度有較大程度的變化，這就需要一種電路根據(jù)輸入信號(hào)的大小變化情況調(diào)節(jié)接收機(jī)的增益，增益可調(diào)的LNA是一種通過改變電路某一參量對(duì)放大器增益進(jìn)行調(diào)節(jié)的放大器，廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、醫(yī)療設(shè)備、磁盤驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域[2]。目前實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)LNA的方法主要有旁路選擇技術(shù)[3]、負(fù)反饋技術(shù)和偏流控制技術(shù)[4]。旁路選擇技術(shù)通過控制旁路選擇開關(guān)，可以獲得很大的增益可調(diào)范圍，但不能實(shí)現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào)；負(fù)反饋技術(shù)和偏流控制技術(shù)雖可實(shí)現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào)，但只適用于窄帶系統(tǒng)。
    本文設(shè)計(jì)了一款基于TSMC 0.18 ?滋m CMOS工藝的、可應(yīng)用于3 GHz~5 GHz的UWB LNA。采用局部反饋的共柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超寬帶輸入匹配和良好的噪聲性能，并提出了一種新型電流舵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超寬帶增益連續(xù)可調(diào)。
1 電路分析與設(shè)計(jì)
    圖1為本文設(shè)計(jì)的超寬帶增益可調(diào)低噪聲放大器電路拓?fù)鋱D，包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、放大電路和輸出緩沖器3個(gè)部分。下面分別對(duì)各部分進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

    

1.3 噪聲分析
    對(duì)于無(wú)局部反饋的共柵輸入級(jí)，噪聲性能主要由共柵管跨導(dǎo)gm1決定，因此可以通過提高gm1來(lái)改善噪聲性能。對(duì)于帶局部反饋的共柵輸入級(jí)，如前文所述，跨導(dǎo)擴(kuò)大了1+gm2R1倍，其噪聲系數(shù)可表示為[5]：
  

 


    圖7是不同控制電壓下的噪聲系數(shù)。在最大增益處（Vc=0.6 V），最小噪聲為2.3 dB；同時(shí)可以看出，隨著Vc的增大，噪聲系數(shù)略有增加。

    圖8反映的是有局部反饋和無(wú)局部反饋共柵輸入級(jí)的最小噪聲系數(shù)對(duì)比，可以看出，有局部反饋的共柵輸入級(jí)的最小噪聲系數(shù)比無(wú)局部反饋的輸入級(jí)要小，這就驗(yàn)證了前文所述局部反饋的輸入級(jí)有助于改善電路的噪聲性能。
    圖9是LNA IIP3的仿真結(jié)果，在輸入信號(hào)為4 GHz時(shí)，IIP3為4 dBm。

    表1將本文所設(shè)計(jì)的LNA的性能參數(shù)與近年發(fā)表的LNA進(jìn)行了對(duì)比?？梢钥闯霰疚乃O(shè)計(jì)的UWB LNA具有功耗低、噪聲低、線性度良好及增益可調(diào)范圍大的優(yōu)勢(shì)。

    本文設(shè)計(jì)了一款可應(yīng)用于UWB系統(tǒng)中的增益可調(diào)LNA，其工作頻段為3 GHz~5 GHz，采用局部反饋的共柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超寬帶輸入匹配和良好的噪聲性能，并提出了一種新型的電流舵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了增益連續(xù)可調(diào)。仿真結(jié)果表明，在3 GHz~5 GHz頻段范圍內(nèi)，S11小于-11 dB，S22小于-14 dB，增益可在-1 dB~24 dB范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，最小噪聲系數(shù)為2.3 dB，且功耗低，線性度良好。
參考文獻(xiàn)
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[7] JEONG M I，LEE J S，MYUNG N C，et al.A 0.18 μm  3.1-4.8 GHz CMOS wideband single to differential LNA for UWB system[J].Microwave and Optical Technology Letters，2009，5(7)：1778-1781.

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