3GHz~5GHz CMOS超宽带低噪声放大器设计

2011-11-26 16:44:29来源: 电子技术应用 关键字:CMOS  超宽带  低噪声放大器  PCSNIM结构
    超带宽UWB(Ultra-Wideband)技术具有抗干扰能力强、传输速率高、带宽极宽、功耗传输低等优势,近年来已成为国内外的研究热点,并在短距离传输、高速无线LAN和成像处理等领域得到了广泛应用[1]。不论在传统的无线接收结构还是在UWB接收系统中,低噪声放大器LNA(Low- Noise Amplifier)作为射频前端的关键器件,有着至关重要的作用。其可在尽可能低地引入额外噪声的情况下放大微弱信号,同时具有良好的噪声性能、合理的平坦增益、良好输入输出匹配程度和较高的线性度等特性。

     在传统的UWB LNA设计中,一般采用分布式和并联电阻反馈式技术。分布式技术具有较好的宽带特性和输入匹配特性,但功耗和芯片面积较大,并且噪声系数NF(Noise Figure)较高。而反馈式技术的额外电阻会导致噪声性能的恶化,因此不太适合LNA设计。滤波器匹配结构是目前较流行的UWB LNA结构,其拥有良好的增益平坦度和较优的噪声性能等优点,而窄带PCSNIM结构的NF、输入输出阻抗匹配和功耗等指标性能较好。因此,本文设计思路是在窄带PCSNIM LNA的输入输出端引入高阶带通滤波器,这样既保证了噪声性能、阻抗匹配和功耗等指标不被恶化,更能拓展系统的宽带。实验结果表明,此方案取得了不错的效果。

1 超宽带低噪声放大器(UWB LNA)的提出

    UWB LNA的电路如图1所示,其中I_DC、M3和R1构成偏置电路,I_DC提供稳定的偏置电流,其值为60 μA。晶体管M1与M3在直流工作时形成电流镜;电阻R1可减少偏置电路对输入的影响并补偿M3管的栅源极电容(Cgs)效应,其取值为3 000 Ω;NMOS型的 M1管源极接源简并反馈电感Ls,构成去耦电路,以降低系统Q值和系统功耗;附加电容Ce可优化噪声系数和Ls值,从而减少系统的芯片面积;分立元件 L1、L2、L3、C1和C0构成五阶T型LC滤波网络,以拓展输入匹配网络的宽带; M2提供良好的反向隔离度,并能有效抑制M1管的Miller效应;为折中考虑噪声性能和功耗等指标,需合理选择M1和M2管的栅宽,一般取M1和M2尺寸相同(为80 μm); M1和M2的级间匹配由Lm和Cm构成,能弥补电容Ce引起的增益下降,并可适当优化电路的噪声性能;M2漏端L4、Rd和C2形成并联低Q值负载结构,以提高输出网络匹配程度和减少输出回波损耗。此外,电阻Rd还可提高电路的稳定度; C3、C4、C5、L5和L6构成五阶T型LC滤波网络,具有扩展输出带宽和选频的功能。

 

2 理论分析

    图 2为典型的窄带PCSNIM LNA电路结构。简并电感LS值在不是很大情况下,能较容易地实现噪声和输入阻抗的同时匹配,并能降低系统的功耗。然而LS不能太大,否则会导致电路噪声系数的恶化。为解决功耗和噪声性能相互矛盾的问题,可在晶体管M1的栅源极并联一附加电容Ce。LS和最小噪声系数表达式如下:

 


    其中,c为栅-漏极噪声的相关系数;δ为与工艺相关的噪声参数,且δ=2γ;ωT为特征频率,取决于CMOS工艺而与晶体管尺寸无关;Ct=Ce+Cgs,Cgs≈(2/3)WLCOX。由式(2)可以看出,最小噪声系数表达式不包含Ce,说明额外电容Ce并没有恶化LNA的噪声性能,且与电感LS成反比,从而达到稳定噪声因子Fmin的目的。

    在理想的输入阻抗匹配条件下,UWB LNA电压增益Av与Ct的平方根成反比,说明引入Ce后,系统的增益会随之降低。由于M1的输出阻抗和M2的输入阻抗都呈容性[2],为解决Ce所引起的电压增益下降的问题,可在晶体管M1和M2之间引入一并联电感Lm和电容Cm,级间匹配如图3所示,电感Lm和电容Cm与Cgs2(M2栅源极寄生电容)、Cgd1(M1栅漏极寄生电容)谐振,抵消Cgd1所引起的M1输出容抗与Cgs2引起的M2输入容抗,进而提高系统增益和优化噪声性能。

 

3 输入匹配网络的设计



    为完成宽带的输入阻抗匹配,可在输入端引入L2、L3和C0以构成三阶T型LC滤波网络,并在此基础上通过加入无源器件L1和C1来扩展UWB的宽带,如图4所示。窄带PCSNIM LNA的输入匹配阻抗Zin由式(3)确定[3]:

4 仿真结果分析

    设计了一个基于TSMC 0.18 ?滋m CMOS工艺元件库的超宽带LNA,采用Agilent公司的ADS20.8软件进行仿真设计。实验结果表明,噪声系数、增益、线性度和稳定度等性能指标都取得了较理想的效果。电路采用1.8 V直流电源供电,电流消耗为5.89 mA,功耗约为10.6 mW。

    S参数分析:S11仿真对比如图5所示,在UWB频段间,引入电容Ce后,LNA的S11仿真结果:频率为3 GHz时,S11=-14.342 dB;频率为5 GHz时,S11=-14.868 dB。S11越小,电路的输入回波损耗就越小,说明电容Ce的引入可大大减少系统的输入回波损耗,从而实现输入阻抗的匹配。图6是正向增益S21的对比图,其中实线、虚线分别为引入电容Ce前后的仿真结果,叉线为引入级间匹配后的结果。仿真结果表明,引入Ce会导致增益的恶化,而级间匹配可弥补Ce导致的增益下降,最终平均增益超过了13 dB。S22和S12仿真结果如图7所示,引入输出并联负载结构后,在整个UWB频段内,S22<-14 dB,说明并联结构能有效改善输出反射值,系统的回波损耗得到了改善,从而防止信号泄露和增强系统稳定性;而S12<-50 dB,说明电路的反向隔离度较好。


    噪声性能和稳定性分析:噪声系数仿真如图8所示,噪声系数NF:0.875 dB

 

    线性度仿真分析:4.2 GHz时双音输出频谱图如图10所示。图中的B1为输出三阶互调失真信号的功率,记为PIMD, B2为输出基波信号的功率,记为PFind。IIP3表达式为:IIP3=(ΔP/2)+Pin,Pin为输入功率,设为-40 dBm,?驻P=PFind-PIMD,将图中数据代入公式可得4.2 GHz 时的IIP3值为5.79 dBm。同理,当输出频谱为3.6 GHz时,IIP3值为5.61 dBm。经过多个中心频率测试,最终可得UWB LNA的IIP3的平均值约为5.35 dB,说明电路取得了较好的线性度。

 

   本文设计了一款具有低噪声、高线性度等特性的UWB LNA。提出的LNA基于窄带PCSNIM结构,并在其
    输入输出端引入了高阶带通滤波器。仿真结果表明,电路获得了约为13.5 dB的正向增益和0.875 dB~4.072 dB的噪声系数。此外,线性度和功耗等性能方面也取得了不错的效果。

关键字:CMOS  超宽带  低噪声放大器  PCSNIM结构

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2011/1126/article_8795.html
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