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采用新型電流舵結構的增益可調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,，實現了放大器增益連續(xù)可調；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,，LNA獲得了25 dB的增益可調范圍，最高增益達到24 dB,，輸入端口反射系數小于-11 dB,，輸出端口反射系數小于-14 dB，最小噪聲系數為2.3 dB,，三階交調點（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,、無線以太網接口鏈路等方面有著廣泛的市場前景。IEEE802.15.3標準已經將3.1 GHz~5 GHz和6 GHz~10.6 GHz頻段作為個人局域網的工作頻段,，3.1 GHz~5 GHz是現階段發(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輸入信號的大小變化情況調節(jié)接收機的增益,，增益可調的LNA是一種通過改變電路某一參量對放大器增益進行調節(jié)的放大器,，廣泛應用于無線通信、醫(yī)療設備、磁盤驅動等領域[2],。目前實現增益可調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范圍,，但不能實現增益連續(xù)可調；負反饋技術和偏流控制技術雖可實現增益連續(xù)可調,，但只適用于窄帶系統,。
    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,，實現了超寬帶增益連續(xù)可調,。
1 電路分析與設計
    圖1為本文設計的超寬帶增益可調低噪聲放大器電路拓撲圖，包括輸入匹配網絡,、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，其噪聲系數可表示為[5]：
  

 


    圖7是不同控制電壓下的噪聲系數,。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對比,，可以看出,，有局部反饋的共柵輸入級的最小噪聲系數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范圍大的優(yōu)勢,。

    本文設計了一款可應用于UWB系統中的增益可調LNA，其工作頻段為3 GHz~5 GHz,，采用局部反饋的共柵結構實現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，實現了增益連續(xù)可調,。仿真結果表明,，在3 GHz~5 GHz頻段范圍內，S11小于-11 dB,，S22小于-14 dB,，增益可在-1 dB~24 dB范圍內連續(xù)可調，最小噪聲系數為2.3 dB,，且功耗低,，線性度良好。
參考文獻
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