超寬帶（寬頻）低噪聲放大器廣泛用于中頻和視頻放大器等。這種電路不僅應(yīng)用在放大視頻信號(hào)，帶寬范圍從直流至幾兆赫或甚至幾萬兆赫的脈沖信號(hào)與射頻信號(hào)，而且廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理方面。近年來，在秘密通訊和目標(biāo)檢測方面超寬帶迅速發(fā)展，更高的帶寬要求聲稱通過超寬頻信號(hào)，因此前端的預(yù)處理接收電路必須是一個(gè)低噪聲的超寬頻放大器。本文設(shè)計(jì)的CMOS低噪聲放大器適用于工作頻段為3～5GHz的超寬帶系統(tǒng)。文章從LNA結(jié)構(gòu)的選取開始，然后進(jìn)行電路分析與設(shè)計(jì)超寬帶LNA結(jié)構(gòu)選取。

電路結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的寬帶LNA的設(shè)計(jì)中，常采用分布式和平衡放大器技術(shù)。此兩者為了獲得較好的寬頻特性和輸入匹配，需要消耗較大的直流功耗。因此，不適合應(yīng)用于UWB系統(tǒng)。

目前，在超寬帶LNA設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多的是帶通濾波器輸入匹配結(jié)構(gòu)和并聯(lián)電阻負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。

前者擁有較大的帶寬、平坦的增益和良好的噪聲性能。但需要在輸入端加入階數(shù)較高的帶通濾波器以展寬頻帶。后者通過引入電阻反饋回路，降低輸入端品質(zhì)因子，從而擴(kuò)展頻帶。本文以后者為基礎(chǔ)，采用噪聲消除技術(shù)優(yōu)化噪聲系數(shù)。圖1給出了所采用電路結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖1中，電路的主放大部分是并聯(lián)負(fù)反饋Cas2code結(jié)構(gòu)。C1、C2和C3為片內(nèi)隔直電容，Rf為反饋電阻，Cf為反饋回路上的隔直電容。Lg和L1為窄帶LNA的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。M1是共源結(jié)構(gòu)，為主放大管，電路的噪聲系數(shù)和輸入匹配取決于該管。M2為共柵結(jié)構(gòu)，主要作用是提供較大的反向隔離度和抑制M1的密勒效應(yīng)。L2、Rd和Cd采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)形成低Q值負(fù)載擴(kuò)展輸出帶寬。M3和M4構(gòu)成源極跟隨器，形成輸出級(jí)。M1、M2、M3、M4共同構(gòu)成前饋噪聲消除結(jié)構(gòu)。圖1中省略了偏置電路，Vbias_1、Vbias_2為偏置電壓。

圖1　低噪放電路結(jié)構(gòu)示意圖

電路分析與設(shè)計(jì)

寬帶輸入匹配分析

在圖1中，除去輸出緩沖器M3管。由于M1、M2和L1形成的電感退化結(jié)構(gòu)將輸入電壓轉(zhuǎn)化為輸出電流，故可等效成跨導(dǎo)為Gm的跨導(dǎo)級(jí)。由此可得主放大電路的小信號(hào)等效電路，如圖2所示。Gm級(jí)的等效可參見文獻(xiàn)。這里將M2看作理想電流傳輸器，忽略其二級(jí)效應(yīng)，以得到有意義的結(jié)論。

圖2中，Cgs1為M1的柵源電容，Z4（s）為M4前饋回路的輸入阻抗，L2、Rd和Cd組成負(fù)載阻抗。Gm1為M1的跨導(dǎo)。對圖2中X點(diǎn)的對地阻抗分析可知：

M4前饋回路的輸入阻抗可表示為：

因此LNA的輸入阻抗表達(dá)式為：

由于式（9）過于復(fù)雜，故用Matlab數(shù)值分析代替表達(dá)式分析。在仿真工藝和可行的電路參數(shù)的條件下，得到圖3的計(jì)算結(jié)果。可見在3～5GHz范圍內(nèi)，Zin的實(shí)部非常接近50Ω，同時(shí)其虛部在4.2GHz附近等于0，而且Zin的幅值距離50Ω亦不遠(yuǎn)。這說明電路完成了寬帶輸入匹配。這里僅給出晶體管尺寸和Lg、L1的取值：M1=M2=320μm/0.18μm，Lg=2.6nH，L1=0.32nH。

圖2　核心電路小信號(hào)等效電路圖

圖3　Zin的Matlab仿真結(jié)果

增益分析

對圖2進(jìn)行分析和推導(dǎo)，可得到主放大電路的增益Amain（s）的表達(dá)式：

式中，Zinx（s）是X處的對地阻抗。為加大電路增益可采取增大等效跨導(dǎo)Gm，加大負(fù)載阻抗ZL等辦法。但Gm，ZL等參數(shù)均與頻率有關(guān)，這些參數(shù)的變化會(huì)影響增益平坦度，所以設(shè)計(jì)時(shí)需折衷考慮。

為了進(jìn)一步提高主放大電路的增益，在輸出緩沖器M3的柵極前串聯(lián)電感L3，其增益提升原理可用圖4（a）所示的放大器等效模型加以解釋。CLoad可以看作是M3的輸入電容。圖4（b）為模型的小信號(hào)等效電路。分析小信號(hào)等效電路的增益有：

由式（12）和式（13）可知，電感L3的引入達(dá)到了提高增益的目的。當(dāng)L與CLoad在ω2處諧振時(shí)有：

圖4

寬帶LNA中的輸出負(fù)載需要采用低Q值電路。