一种双负反馈自偏置CMOS UWB低噪声放大器

袁小方， 段吉海， 徐卫林， 韦保林

(桂林电子科技大学 广西精密导航技术与应用重点实验室，广西 桂林 541004)

2002年，美国联邦通信委员会(FCC)对超宽带(Ultra Wideband，简称UWB)作出了定义，并批准超宽带技术可以应用于民用领域。由于超宽带技术具有高数据速率、强保密性、低复杂性、低功耗和低成本等特点，受到了科研院所和企业的青睐。目前，UWB技术多应用在短距离高速无线通信(如WLAN和WPAN)、室内无线定位、家庭网络、物联网等领域[1]。

低噪声放大器(low noise amplifier，简称LNA)作为射频接收系统的第1级有源电路，其各个指标的好坏直接影响到接收机的性能。LNA的指标主要有输入和输出的匹配程度、噪声系数(noise figure，简称NF)、增益、线性度和功耗等。对于UWB LNA，除了要求在整个带宽内具有优良的噪声性能外，还应具有合适的增益，以抑制后级电路产生的噪声对有用信号的干扰[2]。此外，功耗、线性度、端口匹配程度等指标存在一定的相互影响，为了满足实际应用中的整体性能，必须在各个指标之间进行综合处理。

鉴于此，采用2个NMOS管形成双反馈结构，在实现满足输入匹配的同时，改善电路的噪声性能；利用电感峰化技术，使LNA在3.1～10.6 GHz具有良好的增益[2-6]；采用电流复用结构，降低电路的整体功耗[2,4,6-7]。在输出端采用深N阱MOS管进行输出匹配，克服了利用源极跟随器作为输出匹配所带来的额外功耗浪费，改善了LNA的线性度[3]。

1 UWB LNA分析与设计

UWB LNA电路结构如图1所示。其中：MOS管M2与M4、电容C3、C5形成的双负反馈结构，有利于扩展带宽和完成输入阻抗匹配；处于谐振状态的电感L2、L3、电容C2与MOS管M3的栅源电容Cgs3和M1、M3形成的电流复用结构有利于在不增大直流功耗的前提下提高增益；输出级采用电感峰化技术结合深N阱MOS管M3实现了在3.1～10.6 GHz频段内的输出阻抗匹配。

图1 UWB LNA电路图

1.1 输入匹配分析设计

传统超宽带低噪声放大器对输入匹配常采用的结构有共栅结构和负反馈结构2种。共栅结构能实现在整个超宽带频段内良好的输入匹配，但栅极和源极之间存在的电阻成分使整个电路的噪声性能劣于负反馈结构。采用NMOS管作为负反馈单元，实现整个频段内的输入匹配。UWB LNA的小信号等效电路如图2所示。

图2 UWB LNA交流小信号等效电路

由图2可得Zin=Zin1‖Zin2。

Zin1=

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：C1、Cgs1、Cgs2和Cgs3均为fF级；C2、C4和C5均为pF级；L1、L2、L3和Ls为nH级；R3为数百欧姆。因此，在整个3.1～10.6 GHz超宽带频段内，

(6)

通过调整NMOS管M1的宽长比和反馈回路，可使Zin≈50 Ω，实现输入阻抗匹配。

1.2 电流增益分析

不同于传统的共源共栅结构，本放大器的UWB LNA结构在共栅级引入LC谐振电路，以改善电路的电流增益。电路的等效小信号模型如图3所示。

图3 UWB LNA的等效小信号模型分析

图3(c)中的Req为MOS管M4等效阻抗，故

Iin=i1+i2，

(7)

(8)

(9)

(10)

其中L2为数十纳亨的电感，所以在整个频段内，当频率

时，

达到了放大电流的效果。

1.3 噪声分析

对噪声的分析主要集中在MOS管的沟道电流热噪声对输出噪声电压的贡献，忽略栅极电阻热噪声。包含噪声源的电路模型如图4所示。

图4 包含沟道热噪声源的电路模型

由于MOS管M4的沟道电流热噪声与M2对输出端总噪声的贡献类似，此处只作定性分析，不作具体分析。因MOS管M1、M2和M3沟道热噪声存在非相关性，采用叠加法计算总的输出噪声电压，即

(11)

根据沟道热噪声的一般表示式可知：

(12)

(13)

gm3[ro3‖(R2+sL4)]

(14)

(15)

其中：

由式(14)、(15)可看出，MOS管M2产生的沟道热噪声抵消了部分M1管产生的沟道热噪声。在图4的噪声电路模型中，B点处由M2管和M3管产生的噪声经过M1管放大后，在A点与M1管产生的沟道热噪声相位相反，起到了一定的噪声消除作用。

1.4 输出匹配分析设计

UWB LNA结构中MOS管M3采用的是深N阱NMOS管，为了保证深N阱与P型衬底与P掺杂之间形成反偏层，需将深N阱接入高电平，如图1所示。与文献[3]采用源随器相比，在满足输出匹配的同时，能够有效降低电路的功耗。

2 电路仿真和结果分析

超宽带低噪声放大器基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺，采用Cadence软件对电路进行仿真。图5为输入匹配、输出匹配的仿真结果。从图5可看出，在3.1～10.6 GHz频段内，S11<-10 dB，S22<-9.5 dB，输入输出端具有良好的匹配效果。

图5 输入匹配和输出匹配仿真结果

图6为增益与反向隔离度的仿真结果。从图6可看出，在整个工作频段内，电路增益S21为(15.5±1) dB，由于L1、C1、Ls、Cgs1和L2、C2、L3、Cgs3谐振在不同的频率点，使增益曲线出现2个极大值和1个极小值。通过调整2个不同的谐振频率点，可以改变带宽的大小，同时增益平坦度也会受到影响。反向隔离度S12<-27.5 dB。

图6 正向增益和反向隔离度仿真结果

图7为噪声系数仿真结果。从图7可看出，由外部电源提供偏置电路的噪声系数要比MOS管M2形成的自偏置的噪声系数大，这是由于外部偏置的电阻热噪声处于输入级，对电路整体的噪声性能贡献较大。而由式(14)、(15)对比可看出，通过M2管提供偏置，可以对主放大管的沟道热噪声在A点处形成一定的消除作用，降低电路的输出噪声电压。图8为输入三阶截点仿真结果。从图8可看出，在6 GHz频率处，输入三阶截点为-3.9 dBm。表1为本研究与其他文献的UWB LNA性能对比。

图7 噪声系数仿真结果

表1 本研究与其他文献的UWB LNA性能对比

图8 IIP3仿真结果

3 结束语

采用CMOS管作为负反馈，设计了一种工作带宽为3.1～10.6 GHz的超宽带低噪声放大器。利用NMOS管形成偏置回路，在为主放大MOS管提供偏置的同时，改善了输出端噪声，降低了电路的复杂度。仿真结果表明，在整个工作频段内，S11<-10 dB，S22<-9.5 dB，正向增益S21=(15.5±1) dB，噪声系数NF<2.2 dB，输入三阶截点IIP3=-3.9 dBm，在1.8 V的供电电压下，直流功耗仅为17.5 mW。