采用新型電流舵結(jié)構(gòu)的增益可調(diào)UWB LNA

張卿遠(yuǎn)，張萬榮，丁春寶，邢光輝，周孟龍，高 棟，魯 東，霍文娟，邵翔鵬

(北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124)

超寬帶（UWB）技術(shù)是一種低功耗、低成本、高傳輸速率、抗干擾性能強的短距離無線通信技術(shù)。UWB頻譜范圍為 3.1 GHz～10.6 GHz，短距離傳輸速率高達 480 MHz，甚至更高。因此，它在個人局域網(wǎng)、無線以太網(wǎng)接口鏈路等方面有著廣泛的市場前景。IEEE802.15.3標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)將3.1 GHz～5 GHz和 6 GHz～10.6 GHz頻段作為個人局域網(wǎng)的工作頻段，3.1 GHz～5 GHz是現(xiàn)階段發(fā)展的熱點[1]。

超寬帶低噪聲放大器是無線接收機的關(guān)鍵電路模塊，它影響著整個系統(tǒng)的帶寬、噪聲、功耗等性能。UWB無線接收機在接收信號時由于受環(huán)境、位置以及其他不確定因素的影響，接收機接到的信號幅度有較大程度的變化，這就需要一種電路根據(jù)輸入信號的大小變化情況調(diào)節(jié)接收機的增益，增益可調(diào)的LNA是一種通過改變電路某一參量對放大器增益進行調(diào)節(jié)的放大器，廣泛應(yīng)用于無線通信、醫(yī)療設(shè)備、磁盤驅(qū)動等領(lǐng)域[2]。目前實現(xiàn)增益可調(diào)LNA的方法主要有旁路選擇技術(shù)[3]、負(fù)反饋技術(shù)和偏流控制技術(shù)[4]。旁路選擇技術(shù)通過控制旁路選擇開關(guān)，可以獲得很大的增益可調(diào)范圍，但不能實現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào)；負(fù)反饋技術(shù)和偏流控制技術(shù)雖可實現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào)，但只適用于窄帶系統(tǒng)。

本文設(shè)計了一款基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝的、可應(yīng)用于3 GHz～5 GHz的UWB LNA。采用局部反饋的共柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了超寬帶輸入匹配和良好的噪聲性能，并提出了一種新型電流舵結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了超寬帶增益連續(xù)可調(diào)。

1 電路分析與設(shè)計

圖1為本文設(shè)計的超寬帶增益可調(diào)低噪聲放大器電路拓?fù)鋱D，包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、放大電路和輸出緩沖器3個部分。下面分別對各部分進行詳細(xì)的闡述。

圖1 增益可調(diào)的UWB LNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 輸入輸出匹配設(shè)計

采用共柵結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)寬帶輸入匹配是一種簡單有效的方法，通過選擇合適的跨導(dǎo)就可以實現(xiàn)寬帶輸入匹配。然而對50 Ω系統(tǒng)，要求輸入跨導(dǎo)達到20 mS，跨導(dǎo)公式為：

對于固定的器件寬長比 (W/L)，大的gm意味著流過MOS管的電流ID很大，這將導(dǎo)致電路產(chǎn)生較大的功耗。由于輸入阻抗和跨導(dǎo)成反比，在低功耗或低電流情況下就必然會使輸入阻抗大于50 Ω。為了能實現(xiàn)寬帶輸入匹配的同時不消耗過大的功耗，在M1的柵極和源極之間連接一個共源晶體管M2作為局部反饋，帶局部反饋的共柵結(jié)構(gòu)及其小信號等效電路分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖2 局部反饋的共柵結(jié)構(gòu)及其小信號等效電路

分析其小信號等效電路，同時忽略后級的阻抗效應(yīng)和輸入電感的寄生電阻，可以算出輸入阻抗為：

其中，gm1和gm2分別為M1和M2的跨導(dǎo)，Cgs1和 Cgs2分別為M1和M2的柵源電容。在頻率比較高時，輸入阻抗趨近于：

一般共柵結(jié)構(gòu)的輸入阻抗為：

相比而言，局部反饋的共柵結(jié)構(gòu)的輸入阻抗減小了gm1(1+gm2R1)倍，因此可以實現(xiàn)低功耗下的輸入阻抗匹配。同時，式(3)可以認(rèn)為引入局部反饋的共柵結(jié)構(gòu)使M1的等效跨導(dǎo)增加到gm1(1+gm2R1)，因此提高了第一級電路的增益，抑制了電路的噪聲。帶局部反饋的共柵結(jié)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)低功耗下的輸入阻抗匹配，而且提高了增益，減小了噪聲，大大地改善了LNA的性能。電路中R1和R2為偏置電阻，源極與地之間的電感L1與柵源電源Cgs1和Cgs2構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)，以便使輸入阻抗匹配達到設(shè)計要求；L2為峰化電感，用于拓展帶寬。

輸出匹配采用源極跟隨器，可以很容易地實現(xiàn)50 Ω阻抗匹配。

1.2 放大電路設(shè)計

本文放大電路采用的新型電流舵結(jié)構(gòu)如圖3所示。共源晶體管M3作為輸入管，與M4構(gòu)成鏡像本電流源結(jié)構(gòu)，使流過M5和M6的電流總和不變。控制電壓Vc加在M5的柵極上，當(dāng)Vc從小到大變化時，流過M5的電流增加，同時，由于流過M5和M6的電流總和固定不變，所以流過M6的電流必然隨著控制電壓的增大而減小。相反，當(dāng)控制電壓減小時，流過M5的電流就逐漸減小，流過M6的電流就增大，這樣就實現(xiàn)了增益可調(diào)。

電路中電容C2、C3和電感L3起到了電流復(fù)用的作用。C2是旁路電容，為M6提供交流接地；C3是耦合電容；L3是射頻開關(guān)，提供一個交流高阻抗。在射頻信號下，L3阻止信號通過轉(zhuǎn)而通過C3進入M6的柵極，這樣C3、L3和C2的引入使得共源共柵連接的M3和M6形成了兩個級聯(lián)的共源極放大器，但該電路只采用了同一個電源，這樣就有效地降低了電路的功耗，本文放大電路的功耗僅為3.3 mW。M3和M6構(gòu)成的Cascode結(jié)構(gòu)的交流小信號等效電路如圖4所示。可以看出，射頻信號被放大了2次，提高了電壓增益。因此，新型電流舵結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了增益的連續(xù)可調(diào)，而且降低了功耗，提高了電壓增益。

圖3 新型電流舵結(jié)構(gòu)

圖4 Cascode結(jié)構(gòu)的小信號等效電路

1.3 噪聲分析

對于無局部反饋的共柵輸入級，噪聲性能主要由共柵管跨導(dǎo)gm1決定，因此可以通過提高gm1來改善噪聲性能。對于帶局部反饋的共柵輸入級，如前文所述，跨導(dǎo)擴大了1+gm2R1倍，其噪聲系數(shù)可表示為[5]：

其中，RS為源阻抗，γ為溝道熱噪聲系數(shù)，α=gm1/gdo(gdo是源漏的電導(dǎo))。因此，帶局部反饋的共柵輸入級提高了電路的噪聲性能。同時也應(yīng)注意到，輸入阻抗與跨導(dǎo)成反比，增大gm1會使輸入匹配惡化，可見，噪聲系數(shù)與輸入匹配兩者之間存在矛盾，需要權(quán)衡。

放大電路由于采用了電流復(fù)用技術(shù)，從而提高了電路增益，進一步改善了噪聲性能。

2 仿真驗證

基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝，采用 ADS2009對LNA進行仿真驗證，電路的工作電壓為1.2 V。

LNA的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖5和圖6所示?？梢钥闯?，在3 GHz～5 GHz帶寬內(nèi)，LNA實現(xiàn)了大約 25 dB范圍的增益連續(xù)可調(diào)，帶內(nèi)增益波動小于 1.5 dB，S11和 S22在整個頻段內(nèi)和整個控制電壓范圍內(nèi)分別小于-11 dB和-14 dB，匹配性能良好。

圖5 S21仿真結(jié)果

圖6 S11和S22仿真結(jié)果

圖7是不同控制電壓下的噪聲系數(shù)。在最大增益處（Vc=0.6 V），最小噪聲為 2.3 dB；同時可以看出，隨著 Vc的增大，噪聲系數(shù)略有增加。

圖8反映的是有局部反饋和無局部反饋共柵輸入級的最小噪聲系數(shù)對比，可以看出，有局部反饋的共柵輸入級的最小噪聲系數(shù)比無局部反饋的輸入級要小，這就驗證了前文所述局部反饋的輸入級有助于改善電路的噪聲性能。

圖7 NF仿真結(jié)果

圖8 NFmin仿真結(jié)果

圖9是LNA IIP3的仿真結(jié)果，在輸入信號為4 GHz時，IIP3為 4 dBm。

表1將本文所設(shè)計的LNA的性能參數(shù)與近年發(fā)表的LNA進行了對比?？梢钥闯霰疚乃O(shè)計的UWB LNA具有功耗低、噪聲低、線性度良好及增益可調(diào)范圍大的優(yōu)勢。

本文設(shè)計了一款可應(yīng)用于UWB系統(tǒng)中的增益可調(diào)LNA，其工作頻段為 3 GHz～5 GHz，采用局部反饋的共柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了超寬帶輸入匹配和良好的噪聲性能，并提出了一種新型的電流舵結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了增益連續(xù)可調(diào)。仿真結(jié)果表明，在 3 GHz～5 GHz頻段范圍內(nèi)，S11小于-11 dB，S22小于-14 dB，增益可在-1 dB～24 dB范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，最小噪聲系數(shù)為2.3 dB，且功耗低，線性度良好。

圖9 IIP3仿真結(jié)果

表1 LNA性能比較

[1]羅志勇，李巍，任俊彥.超寬帶CMOS低噪聲放大器的設(shè)計[J].微電子學(xué)，2006，36（5）：688-692.

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