3．1～5．2 GHz超宽带可变增益低噪声放大器设计

摘要：低噪声放大器是超宽带接收机系统中最重要的模块之一，设计了一种可应用于3．1～5．2 GHz频段超宽带可变增益低噪声放大器。电路输入级采用共栅结构实现超宽带输入匹配，并引入电流舵结构实现了放大器的可变增益。仿真基于TSMC0．18μm RF CMOS工艺。结果表明，在全频段电路的最大功率增益为10．5 dB，增益平坦度小于0．5 dB，噪声系数小于5 dB。输入反射系数低于-15 dB，在1．8 V电源电压下，功耗为9 mW。因此，该电路能够在低功耗超宽带射频接收机系统中应用。
关键词：超宽带；可变增益；低噪声放大器；电流舵；低功耗

0 引言
超宽带(UWB)无线通信技术因具有低功耗，高传输速率以及抗干扰能力强等优点，近年来在WPAN、无线USB等高速无线通信领域，以及无线传感器网络、可植入式医疗器具等低功耗领域得到了广泛的关注。UWB频谱范围为3．1～10．6 GHz，在近距离传输距离(10 m)内能够达到480 MHz。目前，在超宽带系统的标准上存在两种方案：直接序列(DS-CDMA)和多带OFDM(MB-OFDM)，而2种方案的低频段均工作在3．1～5．2 GHz，因此3．1～5．2 GHz UWB收发系统是最近的研究热点。
低噪声放大器(LNA)是UWB接收机的最为关键的模块之一，对接收信号进行适当放大的同时尽可能的引入低的噪声，其噪声和增益直接影响到了整个接收机的灵敏度和动态范围。目前常见的宽带LNA包括分布式、噪声取消以及电阻负反馈结构等结构。分布式LNA虽然能够达到较高的增益和低的噪声，但是功耗过大；电阻负反馈结构虽然降低了功耗，但反馈电阻引入了较大的噪声；噪声取消电路能够在各个性能之间平衡，但是由于其结构的特殊性，不能够实现增益的可变。
本文提出了一种超宽带可变增益的低噪声放大器结构，输入级采用共栅结构实现宽带输入匹配，并引入Current-steering结构实现了放大器的可变增益，以牺牲少量噪声性能的代价获得宽的带宽、少的电感数以及增益可变等特性。

1 UWB LNA电路的设计
宽带低噪声放大器电路结构一般由3部分组成：输入匹配网络，放大模块以及输出Buffer。设计时可以单独对每个模块进行优化。输入匹配网络需要在不引入额外噪声的情况下使得端口反射系数S11最小化，完成宽带匹配；放大模块对输入信号进行一定的放大，同时抑制下一级电路的噪声；输出Buffer在不影响电路性能的同时提供大的驱动能力，同时满足输出匹配。而UWB-LNA的难点主要体现在在宽的频段内很难实现输入输出阻抗匹配。图1为提出的UWB-LNA的电路图，现对LNA的各个模块进行分析。

1．1 超宽带输入阻抗以及输出阻抗
输入阻抗匹配如图2所示。

忽略电感Ls的寄生电阻，由图2(b)可得出电路的输入阻抗为：

式中：gm为M1管的跨导；Cgs为M1的寄生电容。从式(1)中可以分析出，在频率较低时，(gm+sCgs)sLs1，Zin≈sLs，输入阻抗趋近于0，因此，在输入频率较低时的输入电阻由源级电感决定。在图2(a)中可以直观的看出，低频率时Ls近似的将M1的源端短接到地。当频率增加至GHz时，(gm+sCgs1)sLs>>1，，对于一般的MOS管而言，Cgs低于100fF，而gm在几十mS左右，本文所设计的LNA工作在3．1～5．2 GHz，gm远大于sCgs1，所以在所需频段内。因此为了将输入阻抗精确匹配到50 Ω，可以调整gm到20 ms。为了兼顾输入匹配性能和版图面积开销，Ls为10nH。
输出阻抗匹配：
如图1所示，在最大增益处(忽略M2和M3的寄生电容)，第一级的输出阻抗为：
Rout=(RL+sLD)∥(gm2ro1ro2) (2)
很显然，为了实现一定的增益值，Rout并一定为50 Ω，同时随着增益的变化Rout也跟着变化。为了保证在不同增益以及所需带宽内实现50 Ω的阻抗匹配，在输出级采用常用的源级跟随器结构，同时也提供了大的驱动能力。

可见，Rout不随频率的变化，通过适当调整可以实现输出阻抗匹配。
1．2 可编程增益控制技术
被接收信号很容易遭到多路衰减，为了保证接收机有恒定的信号输出，需要对接收机中的放大器模块(LNA，PGA)进行增益的控制。实现增益的可调一般采用两种办法：改变输入管的跨导，改变负载电阻。为了保证输入阻抗匹配，跨导必须为20 mS，所以改变输入跨导会造成输入阻抗匹配特性的衰减；如果改变输出电阻，必须在每个支路加一个电感来保证宽带内增益的平坦，这样就增加了额外的面积。因此，电路引入了current Steering结构通过3个数字信号控制流到负载电阻的电流，实现了增益的改变。
在图1中，M2为cascode结构的共栅级，可以消除miller效应的影响，同时降低输出回波损耗。M21M22和M23的宽长比之和为M1的宽长比，同时，M21与M31，M22与M23，M23与M33的尺寸相同，这样是为了保证在数字控制的过程中，流入M1的电流不变，使电路有良好的输入阻抗匹配性能。