基于切比雪夫網絡修正的噪聲優化超寬帶LNA設計

王寧章，雷琳琳，閔仁江

（廣西大學 計算機與電子信息學院，廣西 南寧 530004）

基于切比雪夫網絡修正的噪聲優化超寬帶LNA設計

王寧章，雷琳琳，閔仁江

（廣西大學 計算機與電子信息學院，廣西 南寧 530004）

基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝的研究，設計了一個應用于 3～10 GHz超寬帶無線通信系統接收前端的低噪聲放大器。以經典的共源共柵的結構作為放大主架構，結合切比雪夫濾波器，實現超寬帶輸入匹配，并采用噪聲消除技術優化LNA噪聲性能。電路結構具有工作帶寬大、輸入匹配簡單并且噪聲性能優異的優點。仿真結果表明：在3～10 GHz頻段內，S11和S22均小于－10 dB，S21為15 dB～10 dB，噪聲系數NF為1.5 dB～2.3 dB，在1.8 V供電電壓下電路功耗為14.5 mW。

超寬帶；切比雪夫；低噪聲放大器；噪聲消除技術

0　引言

無線傳輸設備正向微型化、高性能以及兼容化（單個終端集成多個領域的應用）的方向發展[1]，超寬帶技術作為一種面向低復雜度、低成本、低功耗、高數據傳輸率的短距離互聯技術，已成為研究熱點之一[2]。低噪聲放大器作為無線通信接收系統的第一個模塊,對整個系統的性能起著舉足輕重的作用。本文提出了一種基于0.18 μm CMOS工藝在 3.1～10.6 GHz頻帶范圍內實現高噪聲性能的LNA設計方案，在輸入端引用切比雪夫網絡，主體放大器為帶源級負反饋電感的共源共柵結構，并對其采用噪聲消除技術，消除溝道熱噪聲，從而使整個頻帶內NF降低到1.5 dB～2.3 dB，增益保持在15 dB～20 dB，具有優越性。

1　超寬帶輸入匹配

本設計采用在 cascode結構之前加入三階切比雪夫濾波器結構（降低輸入阻抗的虛部到零）作為輸入端，選用三個極點來實現3.1～10.6 GHz寬頻帶的輸入匹配。

圖1為UWB LNA的輸入匹配圖，其中 L1、C1、L2、C2、Lg和 Cp構成了三階的切比雪夫濾波器。這種結構不僅能解決超寬帶匹配難的問題，而且還可以對前端接收天線的非理想性進行修正。雖然引入電感，但可以省去LNA以及后續混頻器對信號相位的修正工序，簡化了電路的復雜度。輸入等效電路圖如圖2所示。

帶有源極電感負反饋的晶體管的輸入阻抗是一種串聯 RLC電路的形式[3]。

輸入阻抗為：

圖1　簡化UWB LNA的輸入匹配圖

圖2　輸入等效電路圖

其中 ωT＝gm/(Cgs+Cp)，為了達到阻抗匹配，Zin的實部應該與源阻抗相等，即：

聯立式(2)、式(3)可確定Ls的大小。再根據反射系數的要求：

計算出三階切比雪夫濾波器的參數值。其中，ρp是濾波器帶內波動系數。最后，再對網絡右側的電感Lg和補償電容Cp的值進行修正。

根據以上設計流程，對應 3.1～10.6 GHz的輸入匹配電路，三階切比雪夫濾波器各元件的參數值為：

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

2　噪聲消除技術

圖3　晶體管的噪聲模型

ind為漏級溝道熱噪聲，ing感應柵噪聲。這兩個噪聲源之間有一定的相關性[5]，ing由ind前饋感應而成，故針對MOSFET管的溝道熱噪聲 ind進行噪聲消除。如圖4，共柵管 M1的溝道熱噪聲 ind，M1，從 Y點流出，在 X流入[6]。在這兩點產生兩個完全相關但是完全反相的噪聲電壓，分別由M2和M3轉換成反相電流。共柵級晶體管M1在X點和Y點產生的兩個同相信號電壓，同樣分別由M2和M3轉換成反相電流。故在輸出端，有用信號疊加增強，而噪聲信號被反相抵消。

圖4　共柵結構噪聲消除原理

3　整體設計及參數設定

圖5　采用噪聲消除技術的 3～10 GHz低噪聲放大器原理圖

在借鑒文獻[7]所述的共柵級噪聲消除原理的基礎上加以改進，對cascade結構上對噪聲進行消除。所設計的應用噪聲消除技術的UWB LNA設計原理圖如圖5。超寬帶的輸入網絡由三階切比雪夫組成，選用三個極點保證3～10 GHz的帶內阻抗匹配。同時對天線的非理想性進行修正。輸出匹配采用源級跟隨器。放大管主要由采用噪聲消除技術的兩級 cascade結構組成。M1和 M2構成第一級cascade結構，增大M2漏端電阻，提高M1源端與其之間的隔離度。由于M2的溝道噪聲影響很小，可忽略不計，所以主要分析M1溝道噪聲消除的原理。M1共柵級結構，溝道熱噪聲在X與Y節點產生相位相反的噪聲電壓，比例為Rl/Rs。有用信號在X與Y節點產生同相的信號電壓。Ll用來與寄生電容產生諧振，提高晶體管高頻增益[6]。M3和M4構成第二級cascade結構，提供gm3/gm4的疊加比。

該放大器輸出端的噪聲電壓為 Vout，n。

根據此式，合理設置晶體管的柵寬和電阻阻值，就可實現噪聲的消除，達到超寬帶低噪聲放大器噪聲優化的目標。

4　仿真與分析

基于TSMC公司的0.18 μm標準工藝設計了3～10 GHz的超寬帶低噪聲放大器，在安捷倫ADS2008U2平臺上進行仿真。根據計算結果設定參數，并經過適當修正與調整，得到如圖6～圖9所示的仿真結果。

圖6　S11仿真結果圖

圖8　噪聲系數仿真結果圖

圖9　增益仿真結果圖

由圖6所示，三階切比雪夫濾波器利用三個極點，保證電路在3 GHz～10 GHz頻率范圍內，輸入反射系數S11小于－11 dB，有良好的輸入匹配性能。輸出端采用源級跟隨器，仿真結果如圖7所示，輸出反射系數S22小于－10 dB。因此表明該設計能夠保證電路有良好的輸入輸出匹配，有效減少了信號的反射。兩級cascade結構的放大設計，使增益最高可達到約 15 dB，且帶內增益平坦，如圖9所示。圖8所顯示的噪聲系數，在頻帶3 GHz～10 GHz范圍內能夠保持在 1.5～2.3。從仿真結果來看，隨著頻率的增高，NF具有上升的趨勢，這是由于寄生效應的復雜性隨頻率的增加而增加，與理論曲線相一致。仿真結果表明，通過這種設計，使電路的噪聲性能達到了較優的效果。

5　結論

本文設計了一款采用噪聲消除技術的 3～10 GHz超寬帶低噪聲放大器。在該設計中，輸入端采用三階切比雪夫濾波器，設置三個極點，解決了超寬帶輸入阻抗難以匹配的難題，并且仿真結果表明，輸入端達到了良好的匹配效果。放大器在經典的cascade結構的基礎上，采用改進的噪聲消除技術，使噪聲系數最低達到 1.47 dB，且在3～10 GHz的整個帶寬內只有0.8 dB的變化，實現了較好的噪聲性能。且仿真結果表明，在此超寬帶的 頻帶內，增益最高可達到 15 dB，有效地抑制后級模塊的噪聲。與其他文獻介紹的LNA相比，本文設計的UWB LNA達到了較好的水平。

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Design of ultra wideband LNA based on the modified Chebyshev network by noise optimization

Wang Ningzhang，Lei Linlin，Min Renjiang
（School of Computer and Electronics&Information,Guangxi University，Nanning 530004，China）

Based on the research of TSMC 0.18μm CMOS technology,designed a the low noise amplifier which applied in 3～10 GHz UWB wireless communication system receiving front－end.Utilize the common source structure and common grid structure as the enlarge main architecture,combining with Chebyshev filter.Implementation of UWB in－put matching,and using noise elimination technology to optimize the noise performance of the LNA.This structure has the large bandwidth,input,matching circuit is simple and the advantages of excellent noise performance.The simulation results show that:With in 3～10 GHz frequencies,S11and S22are less than－10 dB,S21is－15 dB～－10 dB,Noise factor NF is 1.5 dB～2.3 dB,Under the power supply voltage of 1.8 V circuit power consumption is 14.5 mW.

UWB；Chebyshev；LNA；noise canceling technology

TN710；TN432

A

10.16157/j.issn.0258－7998.2015.10.012

2015-03-27)

王寧章(1964-)，男，博士，主要研究方向：微電子學與固體電子學。

雷琳琳(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向：無線射頻電路設計與 RF IC設計。

閔仁江(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：無線射頻電路設計與 RF IC設計。

中文引用格式：王寧章，雷琳琳，閔仁江.基于切比雪夫網絡修正的噪聲優化超寬帶 LNA設計[J].電子技術應用，2015，41 (10)：49－51，54.

英文引用格式：Wang Ningzhang，Lei Linlin，Min Renjiang.Design of ultra wideband LNA based on the modified Chebyshev network by noise optimization[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：49－51，54.