2002年2月，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）規(guī)劃了3.1 GHz～10.6 GHz的頻譜資源作為超寬帶無線通信的頻段，并引發(fā)了國內外廣泛的關注[1-2]。超寬帶UWB(Ultra-Wideband)以高傳輸速率、低功耗、較強的抗干擾能力等優(yōu)勢，成為最具研究潛力的技術之一。作為超寬帶無線接收機前端的低噪聲放大器，其噪聲性能直接影響整個系統(tǒng)的靈敏度指標，主要作用是對接收到的微弱信號進行放大。低噪放的設計需要在噪聲、帶寬、增益及功耗等指標中需要做出折中考慮，它的設計在接收射頻前端中有著至關重要的作用。

　　本文采用TSMC 0.18 μm工藝設計了一種基于噪聲消除技術、工作在3 GHz～5 GHz頻段的CMOS超寬帶、低噪聲放大器。采用單端轉差分的balun結構，對LNA噪聲進行優(yōu)化。本文采用共柵管（CG）作為輸入匹配，共柵管與共源管并聯(lián)實現(xiàn)噪聲消除的目的，并運用串聯(lián)電感負載的辦法提高高頻增益，實現(xiàn)了噪聲消除與寬帶的匹配。

1 共柵結構分析

　　UWB LNA的輸入匹配電路由共柵管M1、L1、C1組成，如圖1所示。Cgs為M1管的柵源電容，Cd是M1管的漏極電容，Co是雜散電容。CMOS放大器的主要噪聲來源于主放大器MOS管的溝道熱噪聲，其噪聲表達式為：

　　其中，RL是共柵管的負載電阻，RS是信號源阻抗，假設=1.33，其噪聲系數(shù)NF約為4 dB[3-4]，不能滿足超寬帶低噪聲放大器的設計要求，須針對其缺點對電路進行噪聲優(yōu)化。

　　該超寬帶低噪聲放大器的輸入阻抗為[5]：

　　其中，gm是共柵管M1的跨導，ZL是M1的負載電阻，rds是M1的漏源電阻。由于ZL的阻值遠遠小于rds，輸入阻抗的實部表達式為：

2 噪聲消除設計分析

　　2.1 噪聲消除技術

　　本文采用共柵管作為輸入匹配，有用信號經(jīng)兩條Cascode支路后幅度相同，相位相反，差分輸出后增益加強。噪聲信號經(jīng)兩條Cascode支路后幅度相同，相位相同，差分輸出后噪聲消除。

　　圖2為共柵管輸入匹配電路圖，輸入電流iin可表達為輸入電壓與輸入阻抗之比：

　　其中，共柵管的輸入阻抗匹配到信號源阻抗Rin，CG=RS=50 Ω。流入負載的電流設為iR1：

　　其中Vout，CG是共柵管的輸出電壓，設共柵管M1的放大倍數(shù)為ACG，ACG=，如圖2所示，iin=iR1，聯(lián)立式（4）、式（5）得：

　　由式（7）可得，共柵管M1的放大倍數(shù)等于負載電阻R1與信號源阻抗RS之比。

　　采用常用的噪聲消除技術設置原則優(yōu)化共源管M1的柵寬值，其值的大小與M3管的柵寬值大小有一定的比例關系，M1的跨導與M3的跨導也就有著對應的比例關系，gm(CS)=ngm(CG)。負載則有相反的比例關系，即RCG=nRCS。n值的選取根據(jù)電路的不同而有不同的設置。

　　在增益、輸入匹配及噪聲系數(shù)指標中做折中，n=4是較好的選擇[6]。M1的跨導為gm，M2的跨導取值為4gm，為了滿足電路所需的平衡狀態(tài)，差分輸出的兩路應該有相同的放大倍數(shù)，即：

　　根據(jù)式（8）得，負載R2的阻值是R1的1/4。R1的阻值選取為1 200 Ω，則R2==300 Ω。差分電路輸出端的電壓Vout，diff表達式如下所示：

　　Vout，diff=ACG-ACS=2ACG(9)

　　式（9）表明，差分輸出后有用信號增強。

　　2.2 Balun-LNA Topology

　　圖3所示為采用噪聲消除技術設計的UWB LNA的完整電路圖，共柵管M1與共源管M3通過耦合電容C2并聯(lián)，其目的是加大增益及增強電路的隔離度，同時能夠有效減少M1管、M3管的Miller效應。M1與M2管組成了共源共柵結構，M3與M4組成了共源共柵結構，M5與Rf組成了電路的偏置電路。

　　有用信號經(jīng)M1管后被同相放大，即X節(jié)點與Y節(jié)點相位同相；有用信號經(jīng)過M3管后被反相放大，即X節(jié)點與Z節(jié)點相位反相。由于M1管與M3管應具有相同的放大倍數(shù)，即Y節(jié)點與Z節(jié)點是幅度相同、相位相反的兩個信號，由差分電路輸出后有用信號被增強。

　　對于MOS管的溝道熱噪聲信號而言，經(jīng)過共柵管M1的電流噪聲在X節(jié)點與Y節(jié)點的相位相反。經(jīng)過共源管M3的電流噪聲在X節(jié)點與Z節(jié)點相位相反，即Y節(jié)點與Z節(jié)點的噪聲信號是幅度、相位相同的兩個信號，由差分電路輸出后共模噪聲得以消除。

3 仿真結果分析

　　本文基于TSMC公司的0.18 m標準工藝設計了超寬帶低噪聲放大器。圖4～圖7是S參數(shù)和噪聲系數(shù)的仿真結果圖。

　　由圖4、圖5可見，在3 GHz～5 GHz頻率范圍內，輸入反射系數(shù)S11小于-11 dB，輸出反射系數(shù)S22小于-11.2 dB，表明電路具有較好的輸入、輸出匹配特性，能夠有效減少信號的反射；反射隔離系數(shù)S12小于-60 dB，表明電路的反相隔離度性能良好。由圖6可見，在3 GHz～5 GHz頻率范圍，電路正向增益S21大于17.5 dB，L1與C1諧振位于低頻點，有效提高了輸入阻抗特性和低頻增益，其中螺旋電感L1的品質因子Q在整個頻率范圍內均大于8；負載電路合理的選擇能夠有效提高電路的高頻增益。由圖7可見，電路的最小噪聲系數(shù)NFmin在3 GHz～5 GHz范圍內小于2.4 dB，且頻率越高，各種寄生效應越明顯，因此噪聲系數(shù)惡化越嚴重。與其他文獻LNA相比，噪聲系數(shù)達到了較優(yōu)結果。

　　在1.8 V電壓下，電路的功耗為12.5 mW。表1總結了本文所提出的超寬帶、低噪聲放大器與其他文獻中設計的LNA的仿真對比結果。結果表明，本文所設計的采用噪聲消除技術的電路在增益、噪聲系數(shù)、插入損耗及功耗方面較其他設計都有更好的效果。

　　根據(jù)噪聲消除技術原理，利用共柵管較容易實現(xiàn)輸入匹配的特點，采用差分輸出電路的模式，設計了一種在3 GHz～5 GHz頻帶內超寬帶、低噪聲放大器電路。本文對電路的設計原理和參數(shù)設計進行了定量分析。基于0.18 μm CMOS工藝對電路進行仿真設計，在3 GHz～5 GHz帶寬內，電壓增益大于17 dB，噪聲系數(shù)低于2.7 dB；在1.8 V電源電壓下，電路功耗為12.5mW。與其他文獻相比較，所設計的低噪聲放大器達到了較好水平。

　　參考文獻

　　[1] BLAAKMEER S C，KLUMPERINK E A M，LEENAERTS DM W，et al.The BLIXER，a wideband balun-LNA-I/Q-mixer topology[J].IEEE JSSC，2008，43(12)：2706-2714.

　　[2] 王寧章，高雅，寧吉，等.3 GHz～5 GHz超寬帶噪聲系數(shù)穩(wěn)定的低噪聲放大[J].電子技術應用，2013，39（7）：31-34.

　　[3] BMCCOLERI F.Wideband CMOS low noise amplifier exploitingthermal noise canceling[J]．IEEE JSSC，2004，39(2)：275-282.

　　[4] BLAAKMEER S C，KLUMPERINK E A M，LEENAERTS DM W，et al.Wideband balun-LNA with simultaneous outputbalancing，noise-canceling and distortion-canceling[J].IEEEJSSC，2008，43(6)：341-1350.

　　[5] Liao Chih-Fan，Liu Shen-Iuan.A broadband noise-cancel-ing CMOS LNA for 3.1～10.6 GHz UWB receivers[J].IEEEJSSC，2007，42(2)：329-339.

　　[6] BLAAKMEER S C，KLUMPERINK E A M，LEENAERTS DM W，et al.An inductorless wideband balun-LNA in 65 nmCMOS with balanced output[C].Proc. 33rd Eur.Solid-StateCircuits Conf.(ESSCIRC2007)，Munich，Germany，Sep，2007：364-367.