基于切比雪夫网络修正的噪声优化超宽带LNA设计

0 引言

　　无线传输设备正向微型化、高性能以及兼容化（单个终端集成多个领域的应用）的方向发展[1]，超宽带技术作为一种面向低复杂度、低成本、低功耗、高数据传输率的短距离互联技术，已成为研究热点之一[2]。低噪声放大器作为无线通信接收系统的第一个模块,对整个系统的性能起着举足轻重的作用。本文提出了一种基于0.18 μm CMOS工艺在3.1~10.6 GHz频带范围内实现高噪声性能的LNA设计方案，在输入端引用切比雪夫网络，主体放大器为带源级负反馈电感的共源共栅结构，并对其采用噪声消除技术，消除沟道热噪声，从而使整个频带内NF降低到1.5 dB~2.3 dB，增益保持在15 dB~20 dB，具有优越性。

1 超宽带输入匹配

　　本设计采用在cascode结构之前加入三阶切比雪夫滤波器结构（降低输入阻抗的虚部到零）作为输入端，选用三个极点来实现3.1~10.6 GHz宽频带的输入匹配。

　　图1为UWB LNA的输入匹配图，其中L1、C1、L2、C2、Lg和Cp构成了三阶的切比雪夫滤波器。这种结构不仅能解决超宽带匹配难的问题，而且还可以对前端接收天线的非理想性进行修正。虽然引入电感，但可以省去LNA以及后续混频器对信号相位的修正工序，简化了电路的复杂度。输入等效电路图如图2所示。

　　带有源极电感负反馈的晶体管的输入阻抗是一种串联RLC电路的形式[3]。

　　输入阻抗为：

　　计算出三阶切比雪夫滤波器的参数值。其中，p是滤波器带内波动系数。最后，再对网络右侧的电感 Lg和补偿电容 Cp的值进行修正。

　　根据以上设计流程，对应3.1~10.6 GHz的输入匹配电路，三阶切比雪夫滤波器各元件的参数值为：

　　L1=1.05 nH，C1=751.6 fF，L2=1.86 nH，C2=680.06 fF，Lg=1.22 nH，Cp=102 fF。

　　2 噪声消除技术

　　在MOSFET中，有两个主要的噪声源：噪声和热噪声。在射频设计中，前者可以忽略不计，热噪声占主导地位。晶体管M1的噪声模型如图3所示。

　　ind为漏级沟道热噪声，ing感应栅噪声。这两个噪声源之间有一定的相关性[5]，ing由ind前馈感应而成，故针对MOSFET管的沟道热噪声ind进行噪声消除。如图4，共栅管M1的沟道热噪声ind，M1，从Y点流出，在X流入[6]。在这两点产生两个完全相关但是完全反相的噪声电压，分别由M2和M3转换成反相电流。共栅级晶体管M1在X点和Y点产生的两个同相信号电压，同样分别由M2和M3转换成反相电流。故在输出端，有用信号叠加增强，而噪声信号被反相抵消。

3 整体设计及参数设定

　　在借鉴文献[7]所述的共栅级噪声消除原理的基础上加以改进，对cascade结构上对噪声进行消除。所设计的应用噪声消除技术的UWB LNA 设计原理图如图5。超宽带的输入网络由三阶切比雪夫组成，选用三个极点保证3~10 GHz的带内阻抗匹配。同时对天线的非理想性进行修正。输出匹配采用源级跟随器。放大管主要由采用噪声消除技术的两级cascade结构组成。M1和M2构成第一级cascade结构，增大M2漏端电阻，提高M1源端与其之间的隔离度。由于M2的沟道噪声影响很小，可忽略不计，所以主要分析M1沟道噪声消除的原理。M1共栅级结构，沟道热噪声在X与Y节点产生相位相反的噪声电压，比例为Rl/Rs。有用信号在X与Y节点产生同相的信号电压。Ll用来与寄生电容产生谐振，提高晶体管高频增益[6]。M3和M4构成第二级cascade结构，提供gm3/gm4的叠加比。

　　根据此式，合理设置晶体管的栅宽和电阻阻值，就可实现噪声的消除，达到超宽带低噪声放大器噪声优化的目标。

4 仿真与分析

　　基于TSMC公司的0.18 μm标准工艺设计了3~10 GHz的超宽带低噪声放大器，在安捷伦ADS2008U2平台上进行仿真。根据计算结果设定参数，并经过适当修正与调整，得到如图6～图9所示的仿真结果。

　　由图6所示，三阶切比雪夫滤波器利用三个极点，保证电路在3 GHz~10 GHz频率范围内，输入反射系数S11小于-11 dB，有良好的输入匹配性能。输出端采用源级跟随器，仿真结果如图7所示，输出反射系数S22小于-10 dB。因此表明该设计能够保证电路有良好的输入输出匹配，有效减少了信号的反射。两级cascade结构的放大设计，使增益最高可达到约15 dB，且带内增益平坦，如图9所示。图8所显示的噪声系数，在频带3 GHz~10 GHz范围内能够保持在1.5~2.3。从仿真结果来看，随着频率的增高，NF具有上升的趋势，这是由于寄生效应的复杂性随频率的增加而增加，与理论曲线相一致。仿真结果表明，通过这种设计，使电路的噪声性能达到了较优的效果。

5 结论

　　本文设计了一款采用噪声消除技术的3~10 GHz超宽带低噪声放大器。在该设计中，输入端采用三阶切比雪夫滤波器，设置三个极点，解决了超宽带输入阻抗难以匹配的难题，并且仿真结果表明，输入端达到了良好的匹配效果。放大器在经典的cascade结构的基础上，采用改进的噪声消除技术，使噪声系数最低达到1.47 dB，且在3~10 GHz的整个带宽内只有0.8 dB的变化，实现了较好的噪声性能。且仿真结果表明，在此超宽带的 频带内，增益最高可达到15 dB，有效地抑制后级模块的噪声。与其他文献介绍的LNA相比，本文设计的UWB LNA达到了较好的水平。

参考文献

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