基于0.18μm工艺CMOS超宽带低噪声放大器设计

徐国明

（苏州高等职业技术学校，江苏 苏州 215011）

基于0.18μm工艺CMOS超宽带低噪声放大器设计

徐国明

（苏州高等职业技术学校，江苏 苏州 215011）

超宽带技术是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，相对于窄带技术，使用超宽带技术进行无线传输具有很多优势。文章介绍了一种基于0.18 μm CMOS工艺、适用于超宽带无线通信系统接收前端的低噪声放大器。结合计算机辅助设计，可以看出经过优化后其S11和S22在3.1GHz～10.6GHz范围内都小于-10dB，而正向增益S21根据-3dB带宽计算可得其符合要求的频率范围达到2.4GHz～10.4GHz，噪声系数NF在2.8GHz左右达到最低值1dB，平均在2.5dB，可以认为是比较低的。整体而言电路符合UWB技术所运用范围。

CMOS；超宽带；低噪声放大器

1 引言

近年来，通信技术获得了惊人的发展，尤其是无线通信更是当前发展最快的技术之一。无线通信技术的总趋势是走向高速化、超带宽。

超宽带（UWB）技术是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，一般认为-10dB相对带宽超过25%，或者-10dB绝对带宽超过500MHz就称为超宽带。相对于窄带信号，使用UWB技术进行无线传输具有非常低的平均传输功率，安全可靠性高、数据传输速度高，在多通道的分时复用和接收的正确性上表现优异。

在超宽带接收机系统中，低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）是接收前端的最重要模块之一。它处于天线和射频滤波器后的第一级，必须对射频滤波器表现为一个50 Ω的负载特性以保证最大的功率传输，其噪声特性将直接影响整个系统的噪声性能，进而决定接收机的灵敏度和动态工作范围。与普通放大器相比，低噪声放大器一方面可以减小系统的杂波干扰、提高系统的灵敏度，另一方面放大系统信号、保证系统工作的正常运行。不夸张地说，低噪声放大器的性能不仅制约了整个接收系统的性能，而且对于整个接收系统技术水平的提高也起了决定性的作用。因此，研制合适的高性能、低噪声放大器，已经成为超宽带系统设计中的核心技术之一。

2 电路设计

低噪声放大器电路结构可以分成三个模块：输入匹配网络模块、放大器模块和输出驱动模块。设计时可以针对每一个模块分别进行优化。通常，基于CMOS工艺实现LNA一般采用经典的共源共栅级联（Cascode）结构，如图1所示。该结构由两个MOS晶体管（M1和M2）构成，Vbias为直流偏置电压。输入级晶体管M1的源极接电感Ls，形成源极负反馈结构，而栅极接电感Lg用以调整输入电路的谐振频点。晶体管M2为共栅组态，具有较低的输入阻抗，因而可以忽略经由M1栅-漏寄生电容Cgd1产生的Miller效应。

图1 共源共栅源极负反馈结构图

该电路的输入阻抗为：

式（1）中，Cgs1为MOS晶体管M1的栅-源寄生电容，gm1为MOS管M1的跨导，ω为工作角频率。整个共源共栅电路（不考虑共栅管噪声）最小噪声系数为：

其中ωT为MOS管的极限频率值；γ是沟道热噪声系数，是一个常数，在长沟道器件工作在饱和区时为2/3，短沟时的典型值在2～3之间。

这里的W为共源管栅宽，L为共源管的长度，gm为共源管的跨导，Vod=Vgs-Vth，μn为电子迁移率，Cox为MOS管单位面积电容值，gd0为漏源电压为0时的输出跨导。

Esat表示沟道饱和电场。根据式（1）～（5）综合分析共源管的栅宽最优值，可以得出最佳噪声条件下的共源管栅宽值。本文设计的低噪声放大器是基于0.18μm和1.8V标准下的射频CMOS技术，工作频率范围是3.1GHz～10.6GHz，即超宽带LNA。所设计的是包括偏置和宽带匹配的电路结构，如图2所示。该电路可以分为三个部分：输入端是采用LC无源网络构成的切比雪夫宽带滤波匹配结构；有源放大部分采用了经典的带有源极退耦电感的窄带放大器结构，通过输入端的宽带匹配将窄带放大器转化为宽带；输出端是源极跟随器，用于宽带输出匹配。用带通滤波器实现阻抗匹配是现阶段UWB LNA的常用方式。它可以在一个很宽的频段内满足匹配要求，同时不会对噪声和线性度产生大的影响。其缺陷在于现在的RFIC制造工艺无法提供高品质的电感和电容，影响其设计精度。切比雪夫滤波器和巴特沃斯滤波器都可以用于电路的输入匹配，这两方面的电路结构在IEEE论文集中有很多介绍。此设计是在输入端采用了LC无源网络构成的巴特沃斯滤波器，如图2中所示。巴特沃斯滤波器在通带内比较平坦，所以叫最大平滑滤波器。采用带通滤波器输入匹配的同时，一般采用MOS管源极电感负反馈模型。这样做的目的是通过精确计算MOS管的栅宽来确定电容Cg，这样Cg与Lg、C2和L2就组成一个二阶巴特沃斯滤波器，通过确定Ls就可满足阻抗匹配要求。

放大器中间级的有源放大部分采用了经典的带有源极退耦电感的窄带放大器结构，该结构广泛应用于窄带低噪声放大器，在前面章节中有讨论。通过输入端的宽带匹配网络，将其转化为宽带响应。传输线的特征阻抗是50 Ω，设计电路时要求能达到阻抗匹配，输出端采用了源极跟随器，使输出阻抗为50 Ω，和传输线的阻抗一致，形成匹配。从表1列出的参数gm3=20.293 7ms可知基本达到了输出匹配。通过电路优化，电路中元器件的值如表1所示。

3 仿真结果

该电路的激励和仿真使用的是Cadence Virtuoso软件平台，根据要求需进行三部分仿真——DC仿真、S参数仿真和噪声系数（NF）仿真。通过DC仿真可以算得电路的总功耗是：P=U×I=1.8V×12mA=21.6mW。在S参数仿真中，我们关注的是S11、S21、S22三个参数。S12一般都很小，因此没有列出仿真结果，不予考虑。这三个S参数的频率范围都是3.1GHz ～10.6GHz，一般来说S11、S22越小越好，但在现实中只要两者均小于-10dB就可以得到较好的电路效果，图中的仿真结果也正如此。图3所示是电路的输入反射系数，可以看到S11在3.1GHz ～10.6GHz范围内保持在-10dB以下。图4所示是电路的增益曲线，总体来说，增益随着频率的变化略有改变。图5所示是电路的输出反射系数，可以看到S22在3.1GHz ～10.6GHz范围内保持在-10dB以下。噪声系数已在前面内容中介绍过，通过优化，平均噪声系数很低。仿真结果如图6所示。

4 结论

本文论述了一种基于0.18μm CMOS工艺的超宽带低噪声放大器的设计，通过仿真可以看出经过优化后输入端的反射系数S11和输出端的反射系数S22在3.1GHz～10.6GHz范围内都是小于-10dB的，而正向增益S21根据-3dB带宽计算可得其符合要求的频率范围达到2.4GHz～10.4GHz，噪声系数NF在2.8GHz左右达到最低值1dB，平均在2.5dB，可以认为比较低了。整体而言该设计是符合UWB技术所运用范围的。

［1］Thomas H.Lee著，余志平，周润德等译．CMOS射频集成电路设计（第二版）[M]．北京：电子工业出版社，2006．

［2］Behzad Razavi著，余志平，周润德等译．射频微电子[M]．北京：清华大学出版社，2006．

［3］FCC First Repon and Order[C].ReVision of the Part 15 Commission’s Rules．

［4］Regarding Ultra：Wideband Transmission Systems[M].April 22，2002：98-153．

［5］Sheaffer D K，Lee T H．A 1.5V，1.5GHz CMOS low noise amplifier[J]．IEEE Journal of Solid-state Circuits，1997，32(5) ：745-759．

［6］Reinhold Ludwig，Panel Bretchko．RF Circuit Design Theory and pplications[M]．Publishing House of E1ectronics，2004．87-112．

Design of a 0.18μm CMOS Ultra-Wideband Low Noise Amplifier

XU Guo-ming
（Suzhou Higher Vocational School of Technology,Suzhou215011,China）

UWB is a technology making use of nanosecond to Pico-second level non-sinusoidal narrow pulse to transmit data.Compared to narrowband technology, the use of ultra-wideband technology for wireless transmission has many advantages. This paper describes a 0.18μm CMOS technology based ultra broadband low-noise amplifier design. According to simulation results, S11 and S22 are less than -10dB in the range of 3.1GHz～10.6GHz, while the -3dB bandwidth is 2.4GHz ～10.4GHz. The lowest noise figure within the bandwidth is about 1dB at 2.8GHz and it is 2.5dB in average. The whole circuit is consistent with the specifications of the UWB technology.

CMOS; ultra-wideband; low-noise amplifier

TN402

A

1681-1070（2011）04-0031-04

2011-02-24

徐国明（1978—），男，江苏南通人，苏州高等职业技术学校教师，工程硕士，主要从事电子专业教学及射频集成电路设计。