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1、一个使用并联电阻反馈和系列感性调峰技术的小型宽 带CMOS低噪声放大器摘要宽带低噪声放大器（LNA）利用分流电阻反馈和系列电感调峰技术达到宽频 带内的输入匹配，功率增益和平滑的噪声系数（NF）响应。此宽带低噪声放大 器（LNA）是使用0.18米CMOS技术来实现的。测量结果表明功率增益大于10 dB，从2到11.5 GHz的输入回波损耗低于10 dB。三阶输入截点IIP3为+3 dBm， 和带外NF范围从3.1至4.1分贝。结果发现模拟与实测数据非常吻合，归因于 与以往的设计相比此电路所需的被动元件数量更少。此外，电路片的品质因数为 190（MW每平方毫米），这在所有先前报道的以CMOS为基础
2、的宽带低噪声放 大器（LNA）中是最好的。关键词CMOS，反馈，低成本，低噪声放大器（LNA），系列调峰，小芯片尺寸，宽带。-概述宽带系统最近获得关注是由于其高速的数据传输能力，所谓的超宽带（UWB） 技术提供了频率在3.1到10.6 GHz有吸引力的高速无线信号的方案。为了与天 线和预选择滤波器接口匹配，低噪声放大器（LNA）在3.1到10.6 GHz的整个 波段的输入阻抗应该接近50 。到现在为止，已经提出了许多为UWB LNA设计的宽带技术。分布式放大 器（DA）是广泛应用于宽带的技术，由于其固有的宽带频率响应伴随着良好的 输入和输出阻抗匹配线性下降到DC。然而，到目前为止，它的高功耗和
3、芯片面 积大，阻碍了其广泛应用12。最近一个具有输入带通响应的宽带阻抗匹配的 级联CMOS低噪声放大器已被报道3。带通滤波器（BPF）基于拓扑结构采用 了级联的输入阻抗放大器作为滤波器的一部分。然而，在采用的滤波器输入端需 要许多电抗性元件，这就不可避免地导致更大的芯片面积和噪声系数（NF）从 而造成芯片实现的退化。一个有效的方式来实现小功耗的宽带匹配和芯片面积为 共栅输入拓扑结构。然而，据报道共栅LNA具有较低的增益和比共源放大器更高的噪声系数4。在这个报道中提到了高带宽的宽带低噪声放大器(LNA),低噪声系数，低 功耗，宽带阻抗匹配和小芯片面积。分流电阻反馈系列感应调峰技术被采用来设 计2
4、11.5 GHz的超宽带低噪声放大器。这些技术能够在不使用过多无源器件和 需要大的芯片面积下实现宽带频率响应，足够的功率增益和较小的噪声系数。二宽带LNA的设计感性源变性的传统级联型低噪声放大器(LNA)由于其低功耗，高增益，高 反向隔离的优点，因而它是最流行的拓扑结构之一。对于宽带应用，这种拓扑结 构变得不合适，因为输入串联谐振的受限于其品质因素的电路带宽是有限的。因 而，应用一个3-5千兆赫级联型超宽带LNA的电阻反馈5，以减少输入串联谐 振电路的品质因数。但这种设计由于其输入串联谐振电路的品质因数和电容效应 的影响，所以它的带宽仍然是有限的。即M1和M2的Cgs,Cgd,Cdb,Csb和
5、输入 回波损耗和增益在4.2千兆赫处开始衰减。1显示了提出的超宽带低噪声放大器 (LNA)，其中虚线包含了传统级联型低噪声放大器(LNA)。一个较小的反馈 电阻R2 (300)与传统的设计5 (1 K)相比较，它用来进一步减少输入串联谐 振电路的品质因数，从而可以实现更广泛的输入匹配。此外，从模拟结果来看， 反馈电阻R2降低LNA的NF大约1.2分贝。然而，该放大器在更高频率的功率 增益也由于选择了大尺寸的M1和M2的电容效应而降低了。为了抗衡此增益退 化，如图1所示添加了一系列峰值电感L2来保证增益的平坦响应。系列峰值 电感L2也能在M2的漏极产生共鸣的寄生并联电容Cp。L2的参量选择在10
6、千 兆赫频率的峰值1.13 nH，并且增加C2用于直流去耦。退化电感TL1是选择小 (0.12 NH)在较高的频段匹配，实现宽6米和长度为162米的微带线(MS)功 能。与螺旋电感相比，微带线的电感在电感值非常小的时候是不容易变化的。图1宽带LNA电路结构图2电路版图图3 LNA不同频段的回波损耗和图4 LNA不同频段的噪声系数功率增益的仿真测量值仿真测量值三实验结果宽带低噪声放大器（LNA）采用1P6M0.18mCMOS技术来实现。模具照片 如图2所示，包括测试片仅0.480.69平方毫米，由于新技术的采用，因而它有非 常有效的面积和成本效益。在薄片上测试电路的RF特性。LNA的有11.2毫
7、安 的基极偏置和M2的漏极电压为1.2 V。图3显示宽带LNA的模拟和实测结果的输入的回波和功率增益。功率增益 超过10分贝从3分贝频段至12.5 GHz，而回波损耗从2到11.5 GHz 是-10分贝 以下。仿真结果表明，如果R2是从电路中移除的话，功率匹配的带宽从9.5千 兆赫缩小至2.5千兆赫。这些结果明确证明在源退化反馈技术与使用R2的并联 小电阻相结合实现宽带匹配的有效性。图3也显示了在不同的L2值下低噪声放 大器（LNA）的模拟频率反应。据发现，L20.619 nH对应最平坦的状态。在我 们的设计中，L2选择为达到高峰10千兆赫的1.13 NH。L2小与1.13 NH （但大 与0
8、.619 nH的）能够实现平坦的增益响应（甚至更宽的带宽）。它在固定的10 GHz 峰值可以预先补偿下一阶段通常的过阻尼响应。它也可以看出，功率增益从3 GHz开始衰竭的，如果L2是从电路中移除。这证明系列电感调峰技术扩展电阻 反馈级联低噪声放大器的带宽是非常有用的。从图4模拟与实测结果得到这个宽 带LNA的NF。图4测得的数据在2-11.5千兆赫频段内最低和最大NF分别是 3.1分贝（9千兆赫）和4.1分贝（11.5千兆赫）。从模拟来看，很显然分流反馈 电阻R2达到了宽带匹配，从而降低LNA的NF1.2分贝的目的。然而，实现的 NF仍低于更好以前的测量值的3.1在10.6 GHz的CMOS低
9、噪声放大器1 - 9。 此外，该电路还具有所有超宽带低噪声放大器的最平滑的带内噪声系数，解释如 下。基于10并且忽略门限噪音，我们可以证明，对使用源退化电感的低噪声放 大器的NF可以近似通过+ g +1 .其中Rpar, Qin = Wonf （L1 + TL1） /（Rs + Rpar）是一系列的寄生电阻，R-L-C电路的输入品质因子，分别地Wo” = 1/ （L1 + TL 1）（Cgs + Cgd ），Rs=50Q和通道r的噪 声参数。（1）与模拟比较结果相验证（见图4）。根据（1）,频率响应（欠，过， 关键阻尼控制）的NF是由Qin来决定的。在这个方案中Qin选择尽可能接近最 大平坦的
10、数值，这能够实现低噪声放大器（LNA）良好的噪声平坦度。Frrqi|Ga33健幻。:圻1翌CMC% O.LflMinn表格1最近报道的宽带LNA的性能指标40/m I ，I ，-，.i ， I ，.击 爻强4&405 OS IDPin dBnt|图5 5.2G和5.8G三阶互调的测量结果从图3和4可以发现，仿真和测量的结果吻合得很好，这是由于提出的LNA 方案与以前的设计相比更加细致地布局和使用更少的无源元件。为了表征提出的 超宽带低噪声放大器电路的非线性，使用同等功率水平的双音信号在无线局域网 络应用的使用频率5.2和5.8 GHz来描绘它。为了评估其超宽带低噪声放大器 （LNA）的最大性能
11、，功率增益的3dB带宽，噪声余量，功耗，和截止频率（即 技术的成本），品质因数（FOM）被定义为FW顽亍-列1,龄伊司 L一（NF - 1）1 x.玲血呼x人旧&FOM包括最相关的参数以评价一个低成本，低功耗应用的超宽带低噪声放（LNA）。一个国家的最先进的结果摘要载于表一。我们所提出的低噪声放大 （LNA）的FOM在各CMOS为基础的宽带低噪声放大器中（LNA）达到最高 的62.8（毫瓦）。此外，我们的包括测试焊盘的芯片大小只有0.33毫米，从而FOM 比芯片尺寸可以甚至高达190 （毫瓦每毫米），这至少是任何先前公布的结果的2 倍。图5测量结果 表明LNA具有输入三阶截获点为3dbm和一分
12、贝压缩点输出 功率为-8.5 dBm。这些结果表明，该宽带LNA达到良好的线性关系。,17003 *PO L - 69 dd o【ou *【oa 4 -uoduioQ ssopii *MOJOip 333i “spuQiuoaj pTOq9piM-jjn joj vn= Q）!S 福叫oa Xddns mo v, Uh *Mpuv，阿理 *H 国叩日 j 戏xre& ,q *g003 谁g 38 -18 dd gu 匹 *ioa 0。您ooqi -Moioipv *sumi 3331 uopdumsuoo J9Mod op 从ui qj qjiM VN= SOWD 叩nououi pireq zhO g HN HP L3, ”叮 s入 puv nq s S %叫。M H 0l I - II dd 9008 un 4*duiXs（DHH）si贝迎。 jSojuj *b9Jj .pv* 333i oojj ui 4mqoui pireqpvojq joj 5pvqpQQj pmp Smsn VNT 9MR SOWD ZHDTI Y , on/ n D puv nj i 囱 9008 .店g 9I - *I ,dd 4g ,ou 49x *oa 4uoduio。ssopii ,MOJOip日日日I /sioApooissopiiM pTOqopiMjJin z
