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采用新型電流舵結構的增益可調(diào)UWB LNA
來源：電子技術應用2013年第8期
張卿遠，張萬榮,，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 電子信息與控制工程學院,，北京100124
摘要： 基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝,，設計了一款工作在3 GHz~5 GHz頻段的增益可調(diào)超寬帶低噪聲放大器（LNA）。LNA輸入級采用局部反饋的共柵結構,，實現(xiàn)了超寬帶輸入匹配和良好的噪聲性能,；放大電路級采用提出的新型電流舵結構，實現(xiàn)了放大器增益連續(xù)可調(diào)；輸出級采用源極跟隨器,，獲得了良好的輸出匹配,。利用ADS2009進行仿真驗證，結果表明,，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（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： TN721.1
文獻標識碼： A
文章編號： 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）技術是一種低功耗,、低成本,、高傳輸速率、抗干擾性能強的短距離無線通信技術,。UWB頻譜范圍為3.1 GHz~10.6 GHz,，短距離傳輸速率高達480 MHz，甚至更高,。因此,，它在個人局域網(wǎng)、無線以太網(wǎng)接口鏈路等方面有著廣泛的市場前景,。IEEE802.15.3標準已經(jīng)將3.1 GHz~5 GHz和6 GHz~10.6 GHz頻段作為個人局域網(wǎng)的工作頻段,，3.1 GHz~5 GHz是現(xiàn)階段發(fā)展的熱點[1],。

    超寬帶低噪聲放大器是無線接收機的關鍵電路模塊，它影響著整個系統(tǒng)的帶寬,、噪聲,、功耗等性能。UWB無線接收機在接收信號時由于受環(huán)境,、位置以及其他不確定因素的影響,，接收機接到的信號幅度有較大程度的變化，這就需要一種電路根據(jù)輸入信號的大小變化情況調(diào)節(jié)接收機的增益,，增益可調(diào)的LNA是一種通過改變電路某一參量對放大器增益進行調(diào)節(jié)的放大器,，廣泛應用于無線通信、醫(yī)療設備,、磁盤驅(qū)動等領域[2],。目前實現(xiàn)增益可調(diào)LNA的方法主要有旁路選擇技術[3]、負反饋技術和偏流控制技術[4],。旁路選擇技術通過控制旁路選擇開關,，可以獲得很大的增益可調(diào)范圍，但不能實現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào),；負反饋技術和偏流控制技術雖可實現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào),，但只適用于窄帶系統(tǒng)。
    本文設計了一款基于TSMC 0.18 ?滋m CMOS工藝的,、可應用于3 GHz~5 GHz的UWB LNA,。采用局部反饋的共柵結構實現(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構,，實現(xiàn)了超寬帶增益連續(xù)可調(diào),。
1 電路分析與設計
    圖1為本文設計的超寬帶增益可調(diào)低噪聲放大器電路拓撲圖，包括輸入匹配網(wǎng)絡,、放大電路和輸出緩沖器3個部分,。下面分別對各部分進行詳細的闡述。

    

1.3 噪聲分析
    對于無局部反饋的共柵輸入級,，噪聲性能主要由共柵管跨導gm1決定,，因此可以通過提高gm1來改善噪聲性能。對于帶局部反饋的共柵輸入級,，如前文所述,，跨導擴大了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局部反饋共柵輸入級的最小噪聲系數(shù)對比,，可以看出,，有局部反饋的共柵輸入級的最小噪聲系數(shù)比無局部反饋的輸入級要小，這就驗證了前文所述局部反饋的輸入級有助于改善電路的噪聲性能,。
    圖9是LNA IIP3的仿真結果,，在輸入信號為4 GHz時，IIP3為4 dBm,。

    表1將本文所設計的LNA的性能參數(shù)與近年發(fā)表的LNA進行了對比,。可以看出本文所設計的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。

    本文設計了一款可應用于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構實現(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構,，實現(xiàn)了增益連續(xù)可調(diào),。仿真結果表明，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
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