采用新型电流舵结构的增益可调UWB LNA

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)

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 μm 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。

图1 增益可调的UWB LNA拓扑结构

1.1 输入输出匹配设计

采用共栅结构来实现宽带输入匹配是一种简单有效的方法，通过选择合适的跨导就可以实现宽带输入匹配。然而对50 Ω系统，要求输入跨导达到20 mS，跨导公式为：

对于固定的器件宽长比 (W/L)，大的gm意味着流过MOS管的电流ID很大，这将导致电路产生较大的功耗。由于输入阻抗和跨导成反比，在低功耗或低电流情况下就必然会使输入阻抗大于50 Ω。为了能实现宽带输入匹配的同时不消耗过大的功耗，在M1的栅极和源极之间连接一个共源晶体管M2作为局部反馈，带局部反馈的共栅结构及其小信号等效电路分别如图2(a)和图2(b)所示。

图2 局部反馈的共栅结构及其小信号等效电路

分析其小信号等效电路，同时忽略后级的阻抗效应和输入电感的寄生电阻，可以算出输入阻抗为：

其中，gm1和gm2分别为M1和M2的跨导，Cgs1和 Cgs2分别为M1和M2的栅源电容。在频率比较高时，输入阻抗趋近于：

一般共栅结构的输入阻抗为：

相比而言，局部反馈的共栅结构的输入阻抗减小了gm1(1+gm2R1)倍，因此可以实现低功耗下的输入阻抗匹配。同时，式(3)可以认为引入局部反馈的共栅结构使M1的等效跨导增加到gm1(1+gm2R1)，因此提高了第一级电路的增益，抑制了电路的噪声。带局部反馈的共栅结构不仅可以实现低功耗下的输入阻抗匹配，而且提高了增益，减小了噪声，大大地改善了LNA的性能。电路中R1和R2为偏置电阻，源极与地之间的电感L1与栅源电源Cgs1和Cgs2构成谐振网络，以便使输入阻抗匹配达到设计要求；L2为峰化电感，用于拓展带宽。

输出匹配采用源极跟随器，可以很容易地实现50 Ω阻抗匹配。

1.2 放大电路设计

本文放大电路采用的新型电流舵结构如图3所示。共源晶体管M3作为输入管，与M4构成镜像本电流源结构，使流过M5和M6的电流总和不变。控制电压Vc加在M5的栅极上，当Vc从小到大变化时，流过M5的电流增加，同时，由于流过M5和M6的电流总和固定不变，所以流过M6的电流必然随着控制电压的增大而减小。相反，当控制电压减小时，流过M5的电流就逐渐减小，流过M6的电流就增大，这样就实现了增益可调。

电路中电容C2、C3和电感L3起到了电流复用的作用。C2是旁路电容，为M6提供交流接地；C3是耦合电容；L3是射频开关，提供一个交流高阻抗。在射频信号下，L3阻止信号通过转而通过C3进入M6的栅极，这样C3、L3和C2的引入使得共源共栅连接的M3和M6形成了两个级联的共源极放大器，但该电路只采用了同一个电源，这样就有效地降低了电路的功耗，本文放大电路的功耗仅为3.3 mW。M3和M6构成的Cascode结构的交流小信号等效电路如图4所示。可以看出，射频信号被放大了2次，提高了电压增益。因此，新型电流舵结构不仅实现了增益的连续可调，而且降低了功耗，提高了电压增益。

图3 新型电流舵结构

图4 Cascode结构的小信号等效电路

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]：

其中，RS为源阻抗，γ为沟道热噪声系数，α=gm1/gdo(gdo是源漏的电导)。因此，带局部反馈的共栅输入级提高了电路的噪声性能。同时也应注意到，输入阻抗与跨导成反比，增大gm1会使输入匹配恶化，可见，噪声系数与输入匹配两者之间存在矛盾，需要权衡。

放大电路由于采用了电流复用技术，从而提高了电路增益，进一步改善了噪声性能。

2 仿真验证

基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺，采用 ADS2009对LNA进行仿真验证，电路的工作电压为1.2 V。

LNA的S参数仿真结果如图5和图6所示。可以看出，在3 GHz～5 GHz带宽内，LNA实现了大约 25 dB范围的增益连续可调，带内增益波动小于 1.5 dB，S11和 S22在整个频段内和整个控制电压范围内分别小于-11 dB和-14 dB，匹配性能良好。

图5 S21仿真结果

图6 S11和S22仿真结果

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7 NF仿真结果

图8 NFmin仿真结果

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。

图9 IIP3仿真结果

表1 LNA性能比较

[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.