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3 GHz~5 GHz超寬帶噪聲系數穩定的低噪聲放大器
來源:電子技術應用2013年第7期
王寧章,高 雅,寧 吉,徐 輝
廣西大學 計算機與電子信息學院,廣西 南寧530004
摘要: 采用共源共柵級結構和源極負反饋電路設計了一款應用于超寬帶系統的低噪聲放大器電路。結合巴特沃斯濾波器的特性,實現放大器的輸入、輸出匹配網絡,并詳細分析了電路的噪聲系數。基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝,在3 GHz~5 GHz頻帶范圍內對電路進行ADS軟件仿真。仿真結果表明,在1.8 V供電電壓下,功耗為13.2 mW,最大增益達到15 dB且增益平坦,最大噪聲系數僅為1.647 dB,輸入反射系數S11<-10 dB,輸出反射系數S22<-14 dB。
中圖分類號: TN710;TN432
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)07-0031-04
3 GHz~5 GHz UWB LNA with steady noise figure
Wang Ningzhang,Gao Ya,Ning Ji,Xu Hui
School of Computer and Electronics & Information,Guangxi University,Nanning 530004,China
Abstract: An ultra-wideband LNA circuit with cascade structure and source negative feedback inductance is introduced in this paper. It is combined with Butterworth filter theory,which is used to achieve input and output matching network of amplifier. And the paper presents the detailed analysis of the circuit noise figure. This circuit based on 0.18 μm CMOS technology is simulated for 3 GHz~5 GHz using ADS software. Simulation results show that amplifier consumes 13.2 mW from 1.8 V supply voltage. The measured max gain is 15 dB, and noise figure is less than 1.647 dB within the entire band. The input rejection coefficient is below -10 dB and the output rejection coefficient is below -14 dB.
Key words : UWB;Butterworth filter;LNA;noise figure

    隨著美國聯邦通信委員會(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勢,得到了國內外研究學者的廣泛關注,尤其是在無線通信領域[1]。該技術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,在整個系統中起著至關重要的作用。CMOS工藝憑借與數字基帶電路大規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。

    目前較流行的實現超寬帶的匹配方法有3種[2],分別是電阻并聯反饋式結構、分布式結構、LC帶通濾波器。電阻并聯反饋式結構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;分布式結構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還不太成熟。
    本文提出了一種采用0.18 &mu;m CMOS工藝在3 GHz~5 GHz的頻帶范圍內實現超寬帶、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網絡&mdash;&mdash;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絡,而第一級網
    
M3形成了電流鏡,Rf是阻值較大的電阻,一般為2.5 k&Omega;~3 k&Omega;,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,構成去耦電路,降低系統的品質因數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,可以優化噪聲。Ld作為輸出負載,與輸出寄生電容產生諧振,減小噪聲系數,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組成了輸出匹配網絡,提高了匹配程度。
2 ADS仿真結果與分析
    本文采用ADS 平臺對所設計的3 GHz~5 GHz頻帶內的超寬帶、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、噪聲系數、穩定性、線性度。
    (1)S參數分析
    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S11<-10.185 dB,S22<-14.544 dB,結果表明放大器輸入、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)噪聲系數分析
    放大器對噪聲系數有較嚴格的要求,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;同時結合共源共柵及源極負反饋結構的特點,合理地選擇柵寬大小,大大減少了噪聲干擾。仿真結果表明,在3 GHz~5 GHz范圍內,增益大于12 dB且增益平坦,有效抑制了后級混頻器的噪聲,噪聲系數小于1.647 dB,在設計的頻率范圍內只有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
[1] 何小威,李晉文,張民選.1.5~6 GHz增益和噪聲系數穩定的兩級超寬帶CMOS低噪聲放大器設計與性能模擬[J]. 電子學報,2010,38(7):1668-1672.
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[3] 桑澤華,李永明.一種應用于超寬帶系統的寬帶LNA的設計[J].微電子學,2006,36(1):114-117.
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[5] GALAL A I A,POKHAREL R K,KANAYA H,et al.3~7 GHz low power wide-band common gate low noise  amplifier in 0.18 &mu;m CMOS process[C].On Proceedings of  Asia-Pacific Microwave Conference,2010:342-345.

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