文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.012
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.
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：
計算出三階切比雪夫濾波器的參數值。其中，p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
在MOSFET中，有兩個主要的噪聲源：噪聲和熱噪聲。在射頻設計中，前者可以忽略不計，熱噪聲占主導地位。晶體管M1的噪聲模型如圖3所示。
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。
3 整體設計及參數設定
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。
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。
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。
參考文獻
[1] 齊凱.基于噪聲消除技術的CMOS寬帶LNA設計[J].微電子學，2012，42(5)：621-626.
[2] 宋睿豐，廖懷林，黃如，等.3.1~10.6 GHz超寬帶低噪聲放大器設計[J].北京大學學報（自然科學版），2007，43（1）：78-81.
[3] SCHOLTEN A J，TIEMEIJER L F，VAN LANGEVELDE R，et ａｌ.Noise modeling for RF CMOS circuit simulation[J].IEEE Trans.Electron Devices，2003，50：618－632.
[4] 馬翔，金德鵬，蘇厲，等.基于噪聲消除技術的超寬帶CMOS低噪聲放大器設計[J].傳感器與微系統，2011，3011)：122-124.
[5] GHADIMIPOOR F，GARAKANI H G.A Noise-canceling CMOS low-noise-amplifier for WiMAX[C].2011，Interna-tional conference of Electronic Devices,Systemsand Amplica-(ICEDS)：165-169.
[6] KUMAR A R A，DUTTA A，SINGH S G.Noise-canceling subthreshold UWB LNA for wireless sensor network applica-tion[C].2012 ICUWB，2012：383-386.
[7] LIAO C F，LIU S I.A broadband noise-canceling CMOS LNA for 3.1-10.6 GHz UEB receiver[J].Solid Stage Circuits，IEEE Journalof，2007，42(2)：329-339.
[8] FENG C，YU X P，LU Z H，et al.3-10 GHz selfbiased resistive-feedback LNA with indutive source degeneration[J]. Elec Lett，2013，49(6)：387-388.