採用噪聲消除技術的3～5GHzCMOS超寬帶LNA設計

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採用噪聲消除技術的3～5GHzCMOS超寬帶LNA設計

發表於 2018-01-14 09:02:30

超寬帶（寬頻）低噪聲放大器廣泛用於中頻和視頻放大器等。這種電路不僅應用在放大視頻信號，帶寬範圍從直流至幾兆赫或甚至幾萬兆赫的脈衝信號與射頻信號，而且廣泛應用於信號處理方面。近年來，在秘密通訊和目標檢測方面超寬帶迅速發展，更高的帶寬要求聲稱通過超寬頻信號，因此前端的預處理接收電路必須是一個低噪聲的超寬頻放大器。本文設計的CMOS低噪聲放大器適用於工作頻段為3～5GHz的超寬帶系統。文章從LNA結構的選取開始，然後進行電路分析與設計超寬帶LNA結構選取。

電路結構圖

傳統的寬帶LNA的設計中，常採用分布式和平衡放大器技術。此兩者為了獲得較好的寬頻特性和輸入匹配，需要消耗較大的直流功耗。因此，不適合應用於UWB系統。

目前，在超寬帶LNA設計中應用較多的是帶通濾波器輸入匹配結構和並聯電阻負反饋結構。

前者擁有較大的帶寬、平坦的增益和良好的噪聲性能。但需要在輸入端加入階數較高的帶通濾波器以展寬頻帶。後者通過引入電阻反饋迴路，降低輸入端品質因子，從而擴展頻帶。本文以後者為基礎，採用噪聲消除技術優化噪聲係數。圖1給出了所採用電路結構的示意圖。

圖1中，電路的主放大部分是並聯負反饋Cas2code結構。C1、C2和C3為片內隔直電容，Rf為反饋電阻，Cf為反饋迴路上的隔直電容。Lg和L1為窄帶LNA的輸入匹配網絡。M1是共源結構，為主放大管，電路的噪聲係數和輸入匹配取決於該管。M2為共柵結構，主要作用是提供較大的反向隔離度和抑制M1的密勒效應。L2、Rd和Cd採用並聯結構形成低Q值負載擴展輸出帶寬。M3和M4構成源極跟隨器，形成輸出級。M1、M2、M3、M4共同構成前饋噪聲消除結構。圖1中省略了偏置電路，Vbias_1、Vbias_2為偏置電壓。

圖1　低噪放電路結構示意圖

電路分析與設計

寬帶輸入匹配分析

在圖1中，除去輸出緩衝器M3管。由於M1、M2和L1形成的電感退化結構將輸入電壓轉化為輸出電流，故可等效成跨導為Gm的跨導級。由此可得主放大電路的小信號等效電路，如圖2所示。Gm級的等效可參見文獻。這裡將M2看作理想電流傳輸器，忽略其二級效應，以得到有意義的結論。

圖2中，Cgs1為M1的柵源電容，Z4（s）為M4前饋迴路的輸入阻抗，L2、Rd和Cd組成負載阻抗。Gm1為M1的跨導。對圖2中X點的對地阻抗分析可知：

M4前饋迴路的輸入阻抗可表示為：

因此LNA的輸入阻抗表達式為：

由於式（9）過於複雜，故用Matlab數值分析代替表達式分析。在仿真工藝和可行的電路參數的條件下，得到圖3的計算結果。可見在3～5GHz範圍內，Zin的實部非常接近50Ω，同時其虛部在4.2GHz附近等於0，而且Zin的幅值距離50Ω亦不遠。這說明電路完成了寬帶輸入匹配。這裡僅給出電晶體尺寸和Lg、L1的取值：M1=M2=320μm/0.18μm，Lg=2.6nH，L1=0.32nH。

圖2　核心電路小信號等效電路圖

圖3　Zin的Matlab仿真結果

增益分析

對圖2進行分析和推導，可得到主放大電路的增益Amain（s）的表達式：

式中，Zinx（s）是X處的對地阻抗。為加大電路增益可採取增大等效跨導Gm，加大負載阻抗ZL等辦法。但Gm，ZL等參數均與頻率有關，這些參數的變化會影響增益平坦度，所以設計時需折衷考慮。

為了進一步提高主放大電路的增益，在輸出緩衝器M3的柵極前串聯電感L3，其增益提升原理可用圖4（a）所示的放大器等效模型加以解釋。CLoad可以看作是M3的輸入電容。圖4（b）為模型的小信號等效電路。分析小信號等效電路的增益有：

由式（12）和式（13）可知，電感L3的引入達到了提高增益的目的。當L與CLoad在ω2處諧振時有：

圖4

寬帶LNA中的輸出負載需要採用低Q值電路。

圖4（c）為輸出負載，圖4（d）為輸出負載的等效電路，Cout為放大電路的輸出電容。負載Q值可表示為ωRp（Cp+Cout）。使L2與（Cp+Cout）諧振在所需要的頻點（ω1），再選擇合理的Rp值，使Q值滿足帶寬要求即可。

由式（14）和對輸出負載的分析知，電路增益將出現兩個峰值頻點即ω1和ω2。因此合理選擇Cd和L3的值，可以獲得良好的增益平坦度。通過仿真，選取L2=4.6nH，Rd=575Ω，Cd=5.4pF，L3=715nH。

噪聲抵消分析

分析圖5可知，Cascode結構的噪聲電流Ini流過反饋阻抗ZF（s）、電感Lg和Rs，在M1的柵極和M2的漏極分別產生兩個相位相近但幅度不同的噪聲電壓VZ，ni和VY，ni。如果通過反相放大器M4將VZ，ni放大，通過同相放大器M3將VY，ni放大後在輸出端疊加，就可以將Ini在輸出端產生的噪聲電壓Vout，ni減小，而輸入信號將被分別放大後疊加。VZ，ni、VY，ni和Vout，ni由式（15）（16）（17）表示：

其中M3、M4的增益為：

定義等效噪聲阻抗：

圖5　噪聲消除技術原理圖

由於式（20）過於複雜，故用Matlab數值分析代替表達式分析。在仿真工藝和可行的電路參數的條件下，得到圖6的計算結果。如圖6所示，Rout，ni在高頻段的幅值較低，而且隨著L4的增加Rout，ni的幅值逐漸減小。因此增加L4可以改善LNA的高頻噪聲性能。兼顧噪聲抵消和輸出匹配的要求，通過仿真，選取L4=616nH，Rf=1kΩ，Cf=0.9pF，M3=45μm/0.18μm，M4=90μm/0.18μm。

圖6　Rout，ni的Matlab仿真結果

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