抗干擾全集成超寬帶低噪聲放大器的設(shè)計

高宇飛，雷倩倩，潘誠，劉啟航

（西安工程大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710048）

近年來，超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）無線通信技術(shù)因高速、低功耗和低成本等特點(diǎn)被應(yīng)用于各類商業(yè)領(lǐng)域[1-2]，由于UWB 技術(shù)具有帶寬大、工作頻率高的特點(diǎn)，因此要求用于該協(xié)議的LNA 能夠在數(shù)吉赫茲的頻段內(nèi)作到輸入匹配，并具有高增益、低噪聲、低功耗、小面積的特性[3]。在城市電磁環(huán)境中，5～6 GHz 范圍內(nèi)分布著相對于UWB 頻譜的窄帶干擾信號，因此需要對其進(jìn)行濾除，可以采用片外濾波器和片上濾波器。前者濾波效果好，但無法做到全集成；后者通過在LNA 中集成陷波濾波器，以微小的面積和功耗代價，實(shí)現(xiàn)了全集成和低噪聲[5-19]。

文中設(shè)計了一款6.5～10 GHz 的抗干擾UWB LNA，采用了片上無源陷波濾波器以濾除5～6 GHz帶外噪聲，在實(shí)現(xiàn)了全集成的同時獲得了良好的噪聲表現(xiàn)和增益表現(xiàn)。為了拓展帶寬，在LNA 中采用了并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)和并聯(lián)峰化結(jié)構(gòu)。

1 電路設(shè)計與分析

1.1 LNA整體電路設(shè)計

所設(shè)計的LNA 整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括LNA主電路、匹配電路和偏置電路。LNA 主電路分為兩級：第一級采用電阻反饋共源共柵結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高帶寬和高增益；第二級采用共源結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升整體的增益，并提供一定的輸出匹配。片上陷波濾波器集成在M1 的漏端，由片上電感L1和可調(diào)諧電容陣列C1構(gòu)成。在LNA 第一級中采用了由C2、可調(diào)電阻R1構(gòu)成的并聯(lián)電阻反饋結(jié)構(gòu)和由L2、R2組成的并聯(lián)峰化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)寬帶。在偏置方面，第一級輸入管M1需要較為準(zhǔn)確的偏置點(diǎn)來保證增益和提高噪聲性能，所以采用運(yùn)放OP1 來鉗制M5 和M1 組成的電流鏡，從而提高電流復(fù)制的準(zhǔn)確度。由于該LNA 工作頻率高、帶寬大，因此設(shè)計了LC濾波器匹配電路以滿足寬帶輸入匹配的需求。

圖1 LNA整體電路圖

1.2 陷波濾波器的分析與設(shè)計

圖1 中的電感L1和可調(diào)諧電容陣列C1構(gòu)成了片上陷波濾波器，在電感和電容的諧振頻率下，該濾波器會將信號電流導(dǎo)入到地，從而實(shí)現(xiàn)濾波功能。

1.2.1 片上電感分析

實(shí)際的一階LC串聯(lián)諧振電路的等效電路如圖2所示。圖中展示了對電感Q值影響較大的寄生參數(shù)，其中Cp是并聯(lián)寄生電容，R是串聯(lián)寄生電阻，Cb1和Cb2是襯底寄生電容。該工藝中采用了襯底隔離技術(shù)，可以減小襯底損耗對電感Q值的影響，并提高自諧振頻率，降低了Cb1和Cb2的影響。

圖2 考慮電感寄生時陷波濾波器的等效電路

式（1）為考慮寄生時，從濾波器輸入端看進(jìn)去的等效表達(dá)式。其中Cpb=Cp+Cb1。式（2）為諧振時的等效輸入阻抗的實(shí)部。在C的取值遠(yuǎn)大于Cpb時，式（2）分母中第一項(1-Cpb/C)2將趨近于1，第二項R2C2pb/LC趨近于0，在該條件下諧振電路等效阻抗的實(shí)部約等于定值R，諧振時Znotch不等于零，其實(shí)部直接限制了LC電路的Q值，以至于濾波深度有限且?guī)捿^大。

1.2.2 陷波濾波器電路設(shè)計

式（3）是RLC串聯(lián)諧振電路的Q值表達(dá)式，其中R表示電感寄生電阻。由式（3）可知濾波器的Q值和LC的取值相關(guān)。矛盾的是，要使L盡量大、C和R盡量小才能實(shí)現(xiàn)較大的Q值，但較大的L意味著較大的R。因此需要通過仿真進(jìn)一步尋找最佳的LC搭配。將電感的Q值固定為15，對不同LC取值的濾波效果進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 電感Q=15時，不同LC取值對應(yīng)的濾波效果

結(jié)合濾波深度和帶寬的綜合考慮，最終確定L=2 nH，C=376 fF 可以實(shí)現(xiàn)近似15 dB 的干擾抑制度，同時滿足UWB 所需帶寬。考慮工藝和溫度對無源器件的影響，設(shè)計3 位控制字的可調(diào)諧電容陣列，以求能在全部工藝角和溫度以及電源電壓的變化下將濾波頻率穩(wěn)定在5.8 GHz。仿真結(jié)果如圖4 所示，通過調(diào)諧，陷波濾波器可提供5.1～6.6 GHz的抑制頻率。

圖4 不同控制字下陷波濾波器的濾波表現(xiàn)

1.3 LNA的寬帶設(shè)計

在LNA 并聯(lián)反饋共源共柵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用并聯(lián)峰化技術(shù)來拓展LNA 的帶寬。圖5 是其示意圖，其中C表示輸出節(jié)點(diǎn)的等效電容。

圖5 采用并聯(lián)峰化諧振負(fù)載的共源共柵高頻放大電路

式（4）是負(fù)載阻抗的表達(dá)式，ro表示從輸出節(jié)點(diǎn)看向輸入節(jié)點(diǎn)的阻抗，其值非常大，一般可忽略。將s=jω帶入式（4）中得到式（5）所示的ZL和頻率的關(guān)系。式（5）分子中的(ωL/R)2和分母中的(ωRC)2與(1-ω2LC)2共同補(bǔ)償了ZL隨頻率的變化，有效擴(kuò)展了帶寬。

2 建模與仿真結(jié)果

采用SMIC 28 nm CMOS工藝，利用Cadence Virtuoso軟件對LNA 進(jìn)行了仿真，采用EMX 軟件對電路進(jìn)行了電磁建模。電磁建模前后仿真結(jié)果對比如圖6 所示，其中建模后的曲線為實(shí)心標(biāo)注，建模前為空心標(biāo)注。由圖6 可知，所設(shè)計的LNA 在5.8 GHz 處可提供14.6 dB 的噪聲抑制。受5.8 GHz 噪聲抑制特性的影響，該頻率下的噪聲和S11 曲線有凸起，符合預(yù)期。增益方面，對LNA 進(jìn)行電磁建模前后S21 分別為23.77～25.06 dB 和22.77～24.51 dB，噪聲系數(shù)建模前后分別為2.11～2.57 dB 和2.35～2.82 dB，由于寄生電容的存在，建模后高頻處噪聲惡化較多。由于電感寄生對匹配電路影響較大，S11 和S22 變化較大，但整體仍符合小于-10 dB 的要求。

圖6 EMX建模前后仿真結(jié)果對比

表1 是所設(shè)計的LNA 和其他具有片上濾波器的超寬帶LNA 性能對比。其他LNA 的噪聲系數(shù)仿真結(jié)果普遍超過5 dB，增益均不超過24 dB，而該設(shè)計的噪聲系數(shù)較小，介于2.35 dB 到2.82 dB之間，且在僅消耗10.7 mW 的功耗的情況下實(shí)現(xiàn)了24.51 dB 的增益。

表1 文中LNA與其他帶有片上陷波濾波器的LNA的性能指標(biāo)對比

3 結(jié)論

基于SMIC 28 nm CMOS工藝，利用Cadence Virtuoso軟件設(shè)計了一種具有帶外噪聲信號抑制功能的全集成可調(diào)諧的適用于超寬帶無線通信技術(shù)低噪聲放大器，并對其進(jìn)行了電磁建模和仿真分析。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的低噪聲放大器在增益、噪聲系數(shù)和匹配度方面性能較優(yōu)，尤其是噪聲較低時，帶內(nèi)噪聲系數(shù)較小，介于2.35 dB 到2.82 dB 之間，而在包含偏置電路時的直流功耗僅為10.7 mW。同時，該設(shè)計采用了并聯(lián)峰化技術(shù)拓展了LNA 的頻寬，能夠很好地滿足UWB 上邊帶通信協(xié)議的要求。