文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)07-0031-04
隨著美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)劃分3.1 GHz～10.6 GHz為民用頻譜之后,，超寬帶UWB(Ultra-WideBand)技術(shù)因其具有較高的安全性能,、較快傳輸速率以及在成本與功耗方面的明顯優(yōu)勢，得到了國內(nèi)外研究學者的廣泛關(guān)注,，尤其是在無線通信領域[1],。該技術(shù)適用于中短距離傳輸，范圍一般約10 m,。UWB低噪聲放大器LNA(Low Noise Amplifier)作為無線接收機中的第一個有源器件,，目的是將從天線上接收到的微弱信號進行放大，同時盡可能低地引入噪聲,，在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用,。CMOS工藝憑借與數(shù)字基帶電路大規(guī)模集成和低成本兩大自身特點，成為本方案超寬帶,、低噪放電路設計的首選工藝,。
目前較流行的實現(xiàn)超寬帶的匹配方法有3種[2]，分別是電阻并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu),、分布式結(jié)構(gòu),、LC帶通濾波器,。電阻并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的缺點在于引入了熱噪聲，同時寄生電容降低了高頻范圍的性能,；分布式結(jié)構(gòu)雖然有高增益及良好的寬頻特性,，但是所需的面積較大，難以集成且功耗較大,；LC帶通濾波器方法是在國外比較流行的匹配方式,，在噪聲和線性度方面都有較好的效果，能夠有效地拓寬頻帶,，但是這項研究在國內(nèi)還不太成熟,。
本文提出了一種采用0.18 μm CMOS工藝在3 GHz～5 GHz的頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)超寬帶、低噪聲放大器的設計方案,。在輸入,、輸出匹配中引入較為流行的LC網(wǎng)絡——二階巴特沃斯帶通濾波器，主體放大器為共源共柵及源極負反饋電感,。該設計方案獲得了良好的噪聲系數(shù)NF(Noise Figure),，即NF<1.647 dB，且增益最大為15 dB,。
1 電路設計
1.1 輸入阻抗匹配
完整的電路圖(如圖4所示)中L1,、C1、Lg,、Ct構(gòu)成了二階巴特沃斯帶通濾波器的輸入匹配,。其中Ct=Cp+Cgs1，Cgs1是輸入晶體管M1的柵源極的電容,。由于Cgs1的電容值有限,，所以加入Cp作為補償電容；Ls是源極負反饋電感,，用來加強增益的平坦度,。
輸入匹配等效小信號電路圖如圖1所示，若隔直電容C2忽略不計,，則LNA的輸入阻抗為：
噪聲主要來源于放大器的第一級網(wǎng)絡,，而第一級網(wǎng)
M3形成了電流鏡，Rf是阻值較大的電阻,，一般為2.5 kΩ～3 kΩ,，目的是減少偏置電路的電流對主體放大器的影響。作為偏置電路,，為了減少整個系統(tǒng)的功耗,，M3的柵寬值較小。L1,、C1,、Lg,、Cp組成了二階巴特沃斯帶通濾波器。LS是源極負反饋電感,，構(gòu)成去耦電路,，降低系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)Q值，增加了增益的平坦度,。M1和M2組成了共源共柵電路,，M2管能有效地減少M1管的柵漏電容引起的密勒效應，且在工作頻段能夠提供比較高的增益和穩(wěn)定性,。Cm是隔直電容,，用來減少晶體管M1的漏極與M2的柵極之間存在的寄生電容，可以優(yōu)化噪聲,。Ld作為輸出負載,，與輸出寄生電容產(chǎn)生諧振，減小噪聲系數(shù),，Co為耦合電容，Ld與Co共同組成了耦合負載電路,。I_DC為M4放大管提供電流,，M4、L22,、C22,、L33、C33組成了輸出匹配網(wǎng)絡,，提高了匹配程度,。
2 ADS仿真結(jié)果與分析
本文采用ADS 平臺對所設計的3 GHz～5 GHz頻帶內(nèi)的超寬帶、低噪聲放大器進行仿真,，衡量放大器的主要指標包括S參數(shù),、噪聲系數(shù)、穩(wěn)定性,、線性度,。
(1)S參數(shù)分析
S11、S22代表輸入,、輸出的回波損耗,。如圖5所示，在3 GHz～5 GHz頻帶范圍內(nèi)S11<-10.185 dB,，S22<-14.544 dB,，結(jié)果表明放大器輸入、輸出匹配良好,。如圖6所示,，在3 GHz頻率點上,，增益S21為12.295 dB；在5 GHz頻率點上,，增益為15.170 dB,，帶內(nèi)增益波動小于3 dB，表明增益較平坦,，保證了放大器的放大效果,。
(2)噪聲系數(shù)分析
放大器對噪聲系數(shù)有較嚴格的要求，噪聲的大小決定了放大器的靈敏度,。如圖7所示,，噪聲系數(shù)nf(2)在5 GHz頻率點（最大點）為1.647 dB，NFmin在5 GHz頻率點（最大點）為1.324 dB,，達到了較好的指標,。
本文設計了一款具有較低噪聲的UWB LNA，提出了輸入,、輸出匹配均采用巴特沃斯帶通濾波器完成的電路,；同時結(jié)合共源共柵及源極負反饋結(jié)構(gòu)的特點，合理地選擇柵寬大小,，大大減少了噪聲干擾,。仿真結(jié)果表明，在3 GHz～5 GHz范圍內(nèi),，增益大于12 dB且增益平坦,，有效抑制了后級混頻器的噪聲，噪聲系數(shù)小于1.647 dB,，在設計的頻率范圍內(nèi)只有0.5 dB的變化,；在1.8 V電壓下，功耗為13.2 mW,，該電路具有一定的應用價值,。
參考文獻
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