一種應用于UWB系統的新型LNA設計

UWB是一種短距離的無線通訊方式，極寬的帶寬使UWB具有很高的數據傳輸速率（可達到1Gbps以上）。低功耗、高數據傳輸速率、低成本、抗干擾性能強等優點使這種通訊技術能廣泛應用于室內通信、高速無線LAN、家庭網絡、安全檢測、位置測定、雷達等領域，市場應用前景非常廣闊。

　　低噪聲放大器（LNA）是無線接收系統中的第一個模塊，它影響著整個系統的帶寬、噪聲、功耗等性能。UWB系統的頻帶有兩個頻段：低頻段為3.1~5GHz，高頻段為6~10.6GHz。幾個GHz的帶寬增加了LNA的設計難度。對于低成本、低功耗的應用，CMOS 工藝是很好的選擇。目前基于CMOS工藝的集成寬帶放大器的結構主要有三種：分布式結構、LC網絡匹配結構和電阻并聯反饋結構。分布式放大器能提供較大的帶寬，但由于采用多級級聯，功耗和占用硅片面積都很大。LC網絡匹配放大器有較大的帶寬和較低的功耗，但其匹配網絡采用無源濾波器結構，無源器件占用了很大的面積。傳統的電阻并聯反饋結構有著良好的帶寬和增益平坦度，但噪聲性能很差，功耗也比較大。

　　本文結合窄帶LNA與電阻并聯反饋結構，利用0.18mm CMOS工藝設計了一種應用于UWB低頻段的LNA，此LNA在噪聲、功耗、硅片面積等方面都有較大優勢。

　　寬帶LNA的設計

　　窄帶低噪聲放大器常采用共源共柵（Cascode）結構，它能夠提供高的增益和隔離度，且噪聲性能良好，所以得到廣泛的應用。圖1為其小信號等效電路圖，ind2 、ing2 分別表示漏極電流噪聲和柵噪聲，表達式如下：
　　 (1)
　　 (2)
　　式中，gdo是VDS為零時的漏－源電導。參數g在VDS為零時的值為1，在長溝道器件中飽和時這個值減小到2/3。在短溝道器件中，g在高的VGS和 VDS下可能大于2。d在長溝道器件中為4/3（短溝道器件中為長溝道器件的2~3倍）。Ct=Cgs+Cex這兩個噪聲源是部分相關的，它們的相關系數為：
　　 (3)
　　對于長溝道器件，c的理論值為0.395j，c的值在短溝道器件中將更大（約為0.5j）。與放大器噪聲相關的參數表示如下：
　　 (4)
　　 (5)
　　 (6)
　　Rn為噪聲電阻，Zopt是最優的信號源阻抗，Fmin是最小噪聲因子。式中的a等于gm/gd0，為截止頻率。從式(4)和(6)可以看到，電容Cex的存在與否不對噪聲電阻Rn和Fmin造成影響，但它能夠使得電路在噪聲匹配和輸入匹配下達到低功耗。LNA的輸入阻抗可以表示為：
　　 (7)
　　為了同時滿足輸入匹配和噪聲匹配，要滿足以下條件：
　　 (8)
　　 (9)
　　 (10)
　　 (11)
　　通過選擇適當大小的Ls和Cex，式(8)-(11)能夠同時滿足。

　　上述窄帶LNA的輸入諧振回路的品質因子Q為：
　　 (12)
　　式中w0為諧振頻率。因為典型的RLC串聯諧振回路的-3dB帶寬反比于它的Q值(BW-3dB=w0/Q)，Cascode結構的窄帶LNA通常有著高的Q值，所以不適合于UWB的使用。

　　圖2（a）是本文所采用的超寬帶LNA的電路結構。通過在Cascode結構LNA上添加一個電阻Rf，構成并聯反饋，從而降低LNA 輸入電路的Q值，增大了帶寬。Lload用來作為輸出端的并聯諧振電感。出于測試的目的，核心電路后面連接一個由M3、M4組成的源極跟隨器，并且提供寬帶輸出匹配。電容Cf、C1和C2用來作為耦合電容。

　　圖2（b）是輸入端的小信號等效電路圖。電阻RfM是Rf的密勒等效電阻。在傳統的并聯電阻反饋電路中，由于RfM決定輸入電阻，Rf大小受到其限制。而本文所用電路的輸入電阻由wTLs決定。此LNA的Q值表達式如下：
　　 (13)
　　從式(13)可以看出，通過適當的選擇Rf，降低Q值，窄帶LNA能夠轉變成一個寬帶LNA。