基于0.18μm工藝CMOS超寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)

徐國明

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州 215011）

基于0.18μm工藝CMOS超寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)

徐國明

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州 215011）

超寬帶技術(shù)是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，相對(duì)于窄帶技術(shù)，使用超寬帶技術(shù)進(jìn)行無線傳輸具有很多優(yōu)勢(shì)。文章介紹了一種基于0.18 μm CMOS工藝、適用于超寬帶無線通信系統(tǒng)接收前端的低噪聲放大器。結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以看出經(jīng)過優(yōu)化后其S11和S22在3.1GHz～10.6GHz范圍內(nèi)都小于-10dB，而正向增益S21根據(jù)-3dB帶寬計(jì)算可得其符合要求的頻率范圍達(dá)到2.4GHz～10.4GHz，噪聲系數(shù)NF在2.8GHz左右達(dá)到最低值1dB，平均在2.5dB，可以認(rèn)為是比較低的。整體而言電路符合UWB技術(shù)所運(yùn)用范圍。

CMOS；超寬帶；低噪聲放大器

1 引言

近年來，通信技術(shù)獲得了驚人的發(fā)展，尤其是無線通信更是當(dāng)前發(fā)展最快的技術(shù)之一。無線通信技術(shù)的總趨勢(shì)是走向高速化、超帶寬。

超寬帶（UWB）技術(shù)是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬，一般認(rèn)為-10dB相對(duì)帶寬超過25%，或者-10dB絕對(duì)帶寬超過500MHz就稱為超寬帶。相對(duì)于窄帶信號(hào)，使用UWB技術(shù)進(jìn)行無線傳輸具有非常低的平均傳輸功率，安全可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸速度高，在多通道的分時(shí)復(fù)用和接收的正確性上表現(xiàn)優(yōu)異。

在超寬帶接收機(jī)系統(tǒng)中，低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）是接收前端的最重要模塊之一。它處于天線和射頻濾波器后的第一級(jí)，必須對(duì)射頻濾波器表現(xiàn)為一個(gè)50 Ω的負(fù)載特性以保證最大的功率傳輸，其噪聲特性將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能，進(jìn)而決定接收機(jī)的靈敏度和動(dòng)態(tài)工作范圍。與普通放大器相比，低噪聲放大器一方面可以減小系統(tǒng)的雜波干擾、提高系統(tǒng)的靈敏度，另一方面放大系統(tǒng)信號(hào)、保證系統(tǒng)工作的正常運(yùn)行。不夸張地說，低噪聲放大器的性能不僅制約了整個(gè)接收系統(tǒng)的性能，而且對(duì)于整個(gè)接收系統(tǒng)技術(shù)水平的提高也起了決定性的作用。因此，研制合適的高性能、低噪聲放大器，已經(jīng)成為超寬帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心技術(shù)之一。

2 電路設(shè)計(jì)

低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)可以分成三個(gè)模塊：輸入匹配網(wǎng)絡(luò)模塊、放大器模塊和輸出驅(qū)動(dòng)模塊。設(shè)計(jì)時(shí)可以針對(duì)每一個(gè)模塊分別進(jìn)行優(yōu)化。通常，基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)LNA一般采用經(jīng)典的共源共柵級(jí)聯(lián)（Cascode）結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)MOS晶體管（M1和M2）構(gòu)成，Vbias為直流偏置電壓。輸入級(jí)晶體管M1的源極接電感Ls，形成源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，而柵極接電感Lg用以調(diào)整輸入電路的諧振頻點(diǎn)。晶體管M2為共柵組態(tài)，具有較低的輸入阻抗，因而可以忽略經(jīng)由M1柵-漏寄生電容Cgd1產(chǎn)生的Miller效應(yīng)。

圖1 共源共柵源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)圖

該電路的輸入阻抗為：

式（1）中，Cgs1為MOS晶體管M1的柵-源寄生電容，gm1為MOS管M1的跨導(dǎo)，ω為工作角頻率。整個(gè)共源共柵電路（不考慮共柵管噪聲）最小噪聲系數(shù)為：

其中ωT為MOS管的極限頻率值；γ是溝道熱噪聲系數(shù)，是一個(gè)常數(shù)，在長溝道器件工作在飽和區(qū)時(shí)為2/3，短溝時(shí)的典型值在2～3之間。

這里的W為共源管柵寬，L為共源管的長度，gm為共源管的跨導(dǎo)，Vod=Vgs-Vth，μn為電子遷移率，Cox為MOS管單位面積電容值，gd0為漏源電壓為0時(shí)的輸出跨導(dǎo)。

Esat表示溝道飽和電場。根據(jù)式（1）～（5）綜合分析共源管的柵寬最優(yōu)值，可以得出最佳噪聲條件下的共源管柵寬值。本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器是基于0.18μm和1.8V標(biāo)準(zhǔn)下的射頻CMOS技術(shù)，工作頻率范圍是3.1GHz～10.6GHz，即超寬帶LNA。所設(shè)計(jì)的是包括偏置和寬帶匹配的電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該電路可以分為三個(gè)部分：輸入端是采用LC無源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的切比雪夫?qū)拵V波匹配結(jié)構(gòu)；有源放大部分采用了經(jīng)典的帶有源極退耦電感的窄帶放大器結(jié)構(gòu)，通過輸入端的寬帶匹配將窄帶放大器轉(zhuǎn)化為寬帶；輸出端是源極跟隨器，用于寬帶輸出匹配。用帶通濾波器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配是現(xiàn)階段UWB LNA的常用方式。它可以在一個(gè)很寬的頻段內(nèi)滿足匹配要求，同時(shí)不會(huì)對(duì)噪聲和線性度產(chǎn)生大的影響。其缺陷在于現(xiàn)在的RFIC制造工藝無法提供高品質(zhì)的電感和電容，影響其設(shè)計(jì)精度。切比雪夫?yàn)V波器和巴特沃斯濾波器都可以用于電路的輸入匹配，這兩方面的電路結(jié)構(gòu)在IEEE論文集中有很多介紹。此設(shè)計(jì)是在輸入端采用了LC無源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的巴特沃斯濾波器，如圖2中所示。巴特沃斯濾波器在通帶內(nèi)比較平坦，所以叫最大平滑濾波器。采用帶通濾波器輸入匹配的同時(shí)，一般采用MOS管源極電感負(fù)反饋模型。這樣做的目的是通過精確計(jì)算MOS管的柵寬來確定電容Cg，這樣Cg與Lg、C2和L2就組成一個(gè)二階巴特沃斯濾波器，通過確定Ls就可滿足阻抗匹配要求。

放大器中間級(jí)的有源放大部分采用了經(jīng)典的帶有源極退耦電感的窄帶放大器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于窄帶低噪聲放大器，在前面章節(jié)中有討論。通過輸入端的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，將其轉(zhuǎn)化為寬帶響應(yīng)。傳輸線的特征阻抗是50 Ω，設(shè)計(jì)電路時(shí)要求能達(dá)到阻抗匹配，輸出端采用了源極跟隨器，使輸出阻抗為50 Ω，和傳輸線的阻抗一致，形成匹配。從表1列出的參數(shù)gm3=20.293 7ms可知基本達(dá)到了輸出匹配。通過電路優(yōu)化，電路中元器件的值如表1所示。

3 仿真結(jié)果

該電路的激勵(lì)和仿真使用的是Cadence Virtuoso軟件平臺(tái)，根據(jù)要求需進(jìn)行三部分仿真——DC仿真、S參數(shù)仿真和噪聲系數(shù)（NF）仿真。通過DC仿真可以算得電路的總功耗是：P=U×I=1.8V×12mA=21.6mW。在S參數(shù)仿真中，我們關(guān)注的是S11、S21、S22三個(gè)參數(shù)。S12一般都很小，因此沒有列出仿真結(jié)果，不予考慮。這三個(gè)S參數(shù)的頻率范圍都是3.1GHz ～10.6GHz，一般來說S11、S22越小越好，但在現(xiàn)實(shí)中只要兩者均小于-10dB就可以得到較好的電路效果，圖中的仿真結(jié)果也正如此。圖3所示是電路的輸入反射系數(shù)，可以看到S11在3.1GHz ～10.6GHz范圍內(nèi)保持在-10dB以下。圖4所示是電路的增益曲線，總體來說，增益隨著頻率的變化略有改變。圖5所示是電路的輸出反射系數(shù)，可以看到S22在3.1GHz ～10.6GHz范圍內(nèi)保持在-10dB以下。噪聲系數(shù)已在前面內(nèi)容中介紹過，通過優(yōu)化，平均噪聲系數(shù)很低。仿真結(jié)果如圖6所示。

4 結(jié)論

本文論述了一種基于0.18μm CMOS工藝的超寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，通過仿真可以看出經(jīng)過優(yōu)化后輸入端的反射系數(shù)S11和輸出端的反射系數(shù)S22在3.1GHz～10.6GHz范圍內(nèi)都是小于-10dB的，而正向增益S21根據(jù)-3dB帶寬計(jì)算可得其符合要求的頻率范圍達(dá)到2.4GHz～10.4GHz，噪聲系數(shù)NF在2.8GHz左右達(dá)到最低值1dB，平均在2.5dB，可以認(rèn)為比較低了。整體而言該設(shè)計(jì)是符合UWB技術(shù)所運(yùn)用范圍的。

［1］Thomas H.Lee著，余志平，周潤德等譯．CMOS射頻集成電路設(shè)計(jì)（第二版）[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006．

［2］Behzad Razavi著，余志平，周潤德等譯．射頻微電子[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2006．

［3］FCC First Repon and Order[C].ReVision of the Part 15 Commission’s Rules．

［4］Regarding Ultra：Wideband Transmission Systems[M].April 22，2002：98-153．

［5］Sheaffer D K，Lee T H．A 1.5V，1.5GHz CMOS low noise amplifier[J]．IEEE Journal of Solid-state Circuits，1997，32(5) ：745-759．

［6］Reinhold Ludwig，Panel Bretchko．RF Circuit Design Theory and pplications[M]．Publishing House of E1ectronics，2004．87-112．

Design of a 0.18μm CMOS Ultra-Wideband Low Noise Amplifier

XU Guo-ming
（Suzhou Higher Vocational School of Technology,Suzhou215011,China）

UWB is a technology making use of nanosecond to Pico-second level non-sinusoidal narrow pulse to transmit data.Compared to narrowband technology, the use of ultra-wideband technology for wireless transmission has many advantages. This paper describes a 0.18μm CMOS technology based ultra broadband low-noise amplifier design. According to simulation results, S11 and S22 are less than -10dB in the range of 3.1GHz～10.6GHz, while the -3dB bandwidth is 2.4GHz ～10.4GHz. The lowest noise figure within the bandwidth is about 1dB at 2.8GHz and it is 2.5dB in average. The whole circuit is consistent with the specifications of the UWB technology.

CMOS; ultra-wideband; low-noise amplifier

TN402

A

1681-1070（2011）04-0031-04

2011-02-24

徐國明（1978—），男，江蘇南通人，蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校教師，工程碩士，主要從事電子專業(yè)教學(xué)及射頻集成電路設(shè)計(jì)。