采用新型电流舵结构的增益可调UWB LNA-AET-电子技术应用

采用新型电流舵结构的增益可调UWB LNA

来源：电子技术应用2013年第8期

张卿远，张万荣，丁春宝，邢光辉，周孟龙，高栋，鲁东，霍文娟，邵翔鹏

北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124

摘要： 基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺，设计了一款工作在3 GHz~5 GHz频段的增益可调超宽带低噪声放大器（LNA）。LNA输入级采用局部反馈的共栅结构，实现了超宽带输入匹配和良好的噪声性能；放大电路级采用提出的新型电流舵结构，实现了放大器增益连续可调；输出级采用源极跟随器，获得了良好的输出匹配。利用ADS2009进行仿真验证，结果表明，在3 GHz~5 GHz工作频段内，LNA获得了25 dB的增益可调范围，最高增益达到24 dB，输入端口反射系数小于-11 dB，输出端口反射系数小于-14 dB，最小噪声系数为2.3 dB，三阶交调点（IIP3）为4 dBm，在1.2 V电压下，电路功耗仅为8.8 mW。

关键词： RF微波超宽带 CMOS 增益可调低噪声放大器

中图分类号： TN721.1
文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2013)08-0033-04

A variable gain UWB LNA adopting a novel current steering structure

Zhang Qingyuan，Zhang Wanrong，Ding Chunbao，Xing Guanghui， Zhou Menglong，Gao Dong，Lu Dong，Huo Wenjuan，Shao Xiangpeng

College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China

Abstract： A variable gain UWB LNA operating in 3 GHz~5 GHz frequency range is presented based on TSMC 0.18 μm standard CMOS process. A common-gate structure with a local feedback stage is adopted in the input stage of the LNA to achieve ultra-wideband input match and optimize the noise performance. A novel current steering structure is proposed to realize the continuous variable gain of amplifiers. The output stage employs a source-follower to achieve excellent output match. The LNA is simulated and verified with ADS2009, the results show that the LNA operating in 3 GHz~5 GHz frequency range can realize a continuous gain tuning range of 25 dB, a maximum gain of 24 dB, an input reflection of less than -11 dB, an output reflection of less than -14 dB, a minimum noise figure of 2.3 dB, and an IIP3 of 4 dBm. The LNA consumes only 8.8 mW with a 1.2 V power supply.

Key words : ultra-wideband；CMOS；variable gain；low noise amplifier

超宽带（UWB）技术是一种低功耗、低成本、高传输速率、抗干扰性能强的短距离无线通信技术。UWB频谱范围为3.1 GHz~10.6 GHz，短距离传输速率高达480 MHz，甚至更高。因此，它在个人局域网、无线以太网接口链路等方面有着广泛的市场前景。IEEE802.15.3标准已经将3.1 GHz~5 GHz和6 GHz~10.6 GHz频段作为个人局域网的工作频段，3.1 GHz~5 GHz是现阶段发展的热点[1]。

   超宽带低噪声放大器是无线接收机的关键电路模块，它影响着整个系统的带宽、噪声、功耗等性能。UWB无线接收机在接收信号时由于受环境、位置以及其他不确定因素的影响，接收机接到的信号幅度有较大程度的变化，这就需要一种电路根据输入信号的大小变化情况调节接收机的增益，增益可调的LNA是一种通过改变电路某一参量对放大器增益进行调节的放大器，广泛应用于无线通信、医疗设备、磁盘驱动等领域[2]。目前实现增益可调LNA的方法主要有旁路选择技术[3]、负反馈技术和偏流控制技术[4]。旁路选择技术通过控制旁路选择开关，可以获得很大的增益可调范围，但不能实现增益连续可调；负反馈技术和偏流控制技术虽可实现增益连续可调，但只适用于窄带系统。
   本文设计了一款基于TSMC 0.18 ?滋m CMOS工艺的、可应用于3 GHz~5 GHz的UWB LNA。采用局部反馈的共栅结构实现了超宽带输入匹配和良好的噪声性能，并提出了一种新型电流舵结构，实现了超宽带增益连续可调。
1 电路分析与设计
   图1为本文设计的超宽带增益可调低噪声放大器电路拓扑图，包括输入匹配网络、放大电路和输出缓冲器3个部分。下面分别对各部分进行详细的阐述。



1.3 噪声分析
   对于无局部反馈的共栅输入级，噪声性能主要由共栅管跨导gm1决定，因此可以通过提高gm1来改善噪声性能。对于带局部反馈的共栅输入级，如前文所述，跨导扩大了1+gm2R1倍，其噪声系数可表示为[5]：

图7是不同控制电压下的噪声系数。在最大增益处（Vc=0.6 V），最小噪声为2.3 dB；同时可以看出，随着Vc的增大，噪声系数略有增加。

图8反映的是有局部反馈和无局部反馈共栅输入级的最小噪声系数对比，可以看出，有局部反馈的共栅输入级的最小噪声系数比无局部反馈的输入级要小，这就验证了前文所述局部反馈的输入级有助于改善电路的噪声性能。
图9是LNA IIP3的仿真结果，在输入信号为4 GHz时，IIP3为4 dBm。

表1将本文所设计的LNA的性能参数与近年发表的LNA进行了对比。可以看出本文所设计的UWB LNA具有功耗低、噪声低、线性度良好及增益可调范围大的优势。

本文设计了一款可应用于UWB系统中的增益可调LNA，其工作频段为3 GHz~5 GHz，采用局部反馈的共栅结构实现了超宽带输入匹配和良好的噪声性能，并提出了一种新型的电流舵结构，实现了增益连续可调。仿真结果表明，在3 GHz~5 GHz频段范围内，S11小于-11 dB，S22小于-14 dB，增益可在-1 dB~24 dB范围内连续可调，最小噪声系数为2.3 dB，且功耗低，线性度良好。
参考文献
[1] 罗志勇，李巍，任俊彦.超宽带CMOS低噪声放大器的设计[J].微电子学，2006，36（5）：688-692.
[2] MEYER R G，MEMBER W D.A DC to 1-GHz differential monolithic variable-gain amplifier[J].IEEE Journal of Solid-State-Circuits，1991，26(11)：1673-1680.
[3] Wu Changching，ALBERT Y，Cheng Yu，et al.A switched gain low noise amplifier for ultra-wideband wireless applications[C].IEEE Radio and Wireless Symposium，Long Beach，CA，USA，2007，1：193-196.
[4] AOKI Y，FUJII M，OHKUBO S，et al.A 1.4-dB-NF variable gain LNA with continuous control for 2 GHz band mobile phones using InGaP emitter HBTs[C].IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium，Phoenix，AZ，USA，2001：231-234.
[5] ALLSTOT D J，LI X，SHEKHAR S.Design considerations for CMOS low-noise amplifiers[C].IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium，Fort Worth，TX，USA，2004：97-100.
[6] JEONG M I，LEE J N，LEE C S.Design of UWB switched gain LNA using 0.18 μm CMOS[J].IEEE Electronic Letters，2008，47(7)：477-478.
[7] JEONG M I，LEE J S，MYUNG N C，et al.A 0.18 μm 3.1-4.8 GHz CMOS wideband single to differential LNA for UWB system[J].Microwave and Optical Technology Letters，2009，5(7)：1778-1781.

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