文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jì)[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(wú)線傳輸設(shè)備正向微型化、高性能以及兼容化（單個(gè)終端集成多個(gè)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(diǎn)之一[2]。低噪聲放大器作為無(wú)線通信接收系統(tǒng)的第一個(gè)模塊,對(duì)整個(gè)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(shí)現(xiàn)高噪聲性能的LNA設(shè)計(jì)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(jí)負(fù)反饋電感的共源共柵結(jié)構(gòu)，并對(duì)其采用噪聲消除技術(shù)，消除溝道熱噪聲，從而使整個(gè)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(jì)采用在cascode結(jié)構(gòu)之前加入三階切比雪夫?yàn)V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(gè)極點(diǎn)來(lái)實(shí)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?yàn)V波器。這種結(jié)構(gòu)不僅能解決超寬帶匹配難的問(wèn)題，而且還可以對(duì)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(duì)信號(hào)相位的修正工序，簡(jiǎn)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(jì)算出三階切比雪夫?yàn)V波器的參數(shù)值。其中，p是濾波器帶內(nèi)波動(dòng)系數(shù)。最后，再對(duì)網(wǎng)絡(luò)右側(cè)的電感 Lg和補(bǔ)償電容 Cp的值進(jìn)行修正。
根據(jù)以上設(shè)計(jì)流程，對(duì)應(yīng)3.1~10.6 GHz的輸入匹配電路，三階切比雪夫?yàn)V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(gè)主要的噪聲源：噪聲和熱噪聲。在射頻設(shè)計(jì)中，前者可以忽略不計(jì)，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(jí)溝道熱噪聲，ing感應(yīng)柵噪聲。這兩個(gè)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(duì)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(diǎn)流出，在X流入[6]。在這兩點(diǎn)產(chǎn)生兩個(gè)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(jí)晶體管M1在X點(diǎn)和Y點(diǎn)產(chǎn)生的兩個(gè)同相信號(hào)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(hào)疊加增強(qiáng)，而噪聲信號(hào)被反相抵消。
3 整體設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定
在借鑒文獻(xiàn)[7]所述的共柵級(jí)噪聲消除原理的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，對(duì)cascade結(jié)構(gòu)上對(duì)噪聲進(jìn)行消除。所設(shè)計(jì)的應(yīng)用噪聲消除技術(shù)的UWB LNA 設(shè)計(jì)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(gè)極點(diǎn)保證3~10 GHz的帶內(nèi)阻抗匹配。同時(shí)對(duì)天線的非理想性進(jìn)行修正。輸出匹配采用源級(jí)跟隨器。放大管主要由采用噪聲消除技術(shù)的兩級(jí)cascade結(jié)構(gòu)組成。M1和M2構(gòu)成第一級(jí)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(jì)，所以主要分析M1溝道噪聲消除的原理。M1共柵級(jí)結(jié)構(gòu)，溝道熱噪聲在X與Y節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生相位相反的噪聲電壓，比例為Rl/Rs。有用信號(hào)在X與Y節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生同相的信號(hào)電壓。Ll用來(lái)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(jí)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(shí)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(jì)了3~10 GHz的超寬帶低噪聲放大器，在安捷倫ADS2008U2平臺(tái)上進(jìn)行仿真。根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)定參數(shù)，并經(jīng)過(guò)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?yàn)V波器利用三個(gè)極點(diǎn)，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(jí)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(jì)能夠保證電路有良好的輸入輸出匹配，有效減少了信號(hào)的反射。兩級(jí)cascade結(jié)構(gòu)的放大設(shè)計(jì)，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(lái)看，隨著頻率的增高，NF具有上升的趨勢(shì)，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(guò)這種設(shè)計(jì)，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(jì)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(jì)中，輸入端采用三階切比雪夫?yàn)V波器，設(shè)置三個(gè)極點(diǎn)，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(gè)帶寬內(nèi)只有0.8 dB的變化，實(shí)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(jí)模塊的噪聲。與其他文獻(xiàn)介紹的LNA相比，本文設(shè)計(jì)的UWB LNA達(dá)到了較好的水平。
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