一种应用于UWB系统的新型LNA设计

UWB是一种短距离的无线通讯方式，极宽的带宽使UWB具有很高的数据传输速率（可达到1Gbps以上）。低功耗、高数据传输速率、低成本、抗干扰性能强等优点使这种通讯技术能广泛应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、安全检测、位置测定、雷达等领域，市场应用前景非常广阔。

　　低噪声放大器（LNA）是无线接收系统中的第一个模块，它影响着整个系统的带宽、噪声、功耗等性能。UWB系统的频带有两个频段：低频段为3.1~5GHz，高频段为6~10.6GHz。几个GHz的带宽增加了LNA的设计难度。对于低成本、低功耗的应用，CMOS 工艺是很好的选择。目前基于CMOS工艺的集成宽带放大器的结构主要有三种：分布式结构、LC网络匹配结构和电阻并联反馈结构。分布式放大器能提供较大的带宽，但由于采用多级级联，功耗和占用硅片面积都很大。LC网络匹配放大器有较大的带宽和较低的功耗，但其匹配网络采用无源滤波器结构，无源器件占用了很大的面积。传统的电阻并联反馈结构有着良好的带宽和增益平坦度，但噪声性能很差，功耗也比较大。

　　本文结合窄带LNA与电阻并联反馈结构，利用0.18mm CMOS工艺设计了一种应用于UWB低频段的LNA，此LNA在噪声、功耗、硅片面积等方面都有较大优势。

　　宽带LNA的设计

　　窄带低噪声放大器常采用共源共栅（Cascode）结构，它能够提供高的增益和隔离度，且噪声性能良好，所以得到广泛的应用。图1为其小信号等效电路图，ind2 、ing2 分别表示漏极电流噪声和栅噪声，表达式如下：
　　 (1)
　　 (2)
　　式中，gdo是VDS为零时的漏－源电导。参数g在VDS为零时的值为1，在长沟道器件中饱和时这个值减小到2/3。在短沟道器件中，g在高的VGS和 VDS下可能大于2。d在长沟道器件中为4/3（短沟道器件中为长沟道器件的2~3倍）。Ct=Cgs+Cex这两个噪声源是部分相关的，它们的相关系数为：
　　 (3)
　　对于长沟道器件，c的理论值为0.395j，c的值在短沟道器件中将更大（约为0.5j）。与放大器噪声相关的参数表示如下：
　　 (4)
　　 (5)
　　 (6)
　　Rn为噪声电阻，Zopt是最优的信号源阻抗，Fmin是最小噪声因子。式中的a等于gm/gd0，为截止频率。从式(4)和(6)可以看到，电容Cex的存在与否不对噪声电阻Rn和Fmin造成影响，但它能够使得电路在噪声匹配和输入匹配下达到低功耗。LNA的输入阻抗可以表示为：
　　 (7)
　　为了同时满足输入匹配和噪声匹配，要满足以下条件：
　　 (8)
　　 (9)
　　 (10)
　　 (11)
　　通过选择适当大小的Ls和Cex，式(8)-(11)能够同时满足。

　　上述窄带LNA的输入谐振回路的品质因子Q为：
　　 (12)
　　式中w0为谐振频率。因为典型的RLC串联谐振回路的-3dB带宽反比于它的Q值(BW-3dB=w0/Q)，Cascode结构的窄带LNA通常有着高的Q值，所以不适合于UWB的使用。

　　图2（a）是本文所采用的超宽带LNA的电路结构。通过在Cascode结构LNA上添加一个电阻Rf，构成并联反馈，从而降低LNA 输入电路的Q值，增大了带宽。Lload用来作为输出端的并联谐振电感。出于测试的目的，核心电路后面连接一个由M3、M4组成的源极跟随器，并且提供宽带输出匹配。电容Cf、C1和C2用来作为耦合电容。

　　图2（b）是输入端的小信号等效电路图。电阻RfM是Rf的密勒等效电阻。在传统的并联电阻反馈电路中，由于RfM决定输入电阻，Rf大小受到其限制。而本文所用电路的输入电阻由wTLs决定。此LNA的Q值表达式如下：
　　 (13)
　　从式(13)可以看出，通过适当的选择Rf，降低Q值，窄带LNA能够转变成一个宽带LNA。