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使用修饰物态叠加法宽带LNA的UWB接收机
引言
高速无线通信系统的发展对具有以最低功耗和电源电压工作的多GHz带宽的集成低成本RF设备提出了越来越高的要求。 超宽带（IEEE 802.15.3a）作为一种新技术出现，能够在短距离（1 m）内以低功率实现高数据传输速率（高达10 Gb / s）。 该技术用于诸如无线个域网（WPAN）的一些应用，提供用于传输音频，视频和其他高带宽数据的环境。 已经提出使用分配给UWB系统的3.1-10.6-GHz频谱的方法之一，使用具有14子带的正交频分复用OFDM调制，无论哪个占用528-MHz带宽和快速跳频方案[ 1。 在OFDM中，子载波频率彼此垂直。 该方法消除了子信道之间的串扰，因此不需要载波间保护频带。 虽然标准尚未完善，但无论接收器架构如何，前端宽带LNA都是绝对必要的。 放大器必须满足几个要求，例如与预选滤波器和天线接口，放大器输入阻抗应在所需的UWB频带上接近50。 然而，具有宽带宽的足够增益可以超越混频器的噪声，低噪声系数可提高接收器灵敏度，降低功耗以延长电池寿命，小芯片面积以降低成本，无条件稳定性和良好的线性度是重要参数。 他们之间有一个密切的权衡。 一般来说，通过改进其中一个，其他的都毁了。
II。 输入阶段
共栅和共源共栅配置是CMOS电路中通常用于设计LNA输入级的两种方法，而共栅和共源共栅结构分别提供宽带和窄带输入匹配。 然而，与共源共栅级相比，共栅级具有固有的高噪声系数，必须使用噪声消除技术。
但是，输入阻抗由偏置和W / L比设置。 实际上，该结构考虑了晶体管跨导的自由度，并且还通过选择适当的负载（电感器和电容器的良好组合，同时考虑了寄生电容和主体的影响）提供了可用的宽带输入匹配。 该负载必须与r_ds1成比例。 由于gm发生变化，因此输入阻抗和匹配带宽大约等于设备的f_T。
当工作频率开始上升时，寄生晶体管电容C_gs开始起作用。 在窄带应用中，在输入级中添加并联电感器以与C_gst共振以增强所需频率处的阻抗匹配。 然而，在大多数CMOS窄带应用中，具有电感性退化的共源共栅LNA是优选的，但是为了从输入到输出的隔离以及省略C_gd路径，共栅极LNA相对于共源极LNA执行更好的反向隔离和稳定性。
III。 电路设计与分析
所提出的宽带LNA如图1所示。 它由输入级和公共源级组成。 表1显示了所提出的CMOS LNA的设计值。 片外偏置-T提供M_3的栅极偏置和M_1的DC电流路径。 串联电感L_4进一步与M_3的输入栅 - 源电容共振，从而在频率响应[17]上产生更大的带宽和一些残余峰值。 M_2的寄生电容
图1。 建议使用宽带降噪LNA
表I
建议的CMOS LNA的设计价值
L_in 4nH（W / L）3 135 / 0.18
L_0 0.5nH（W / L）4 37.5 / 0.18
L_1 4.5nH（W / L）5 45 / 0.18
L_2 2.5nH C_in，C_（out，）C_3 2PF
L_3 0.9nH C_1，C_2 1PF
L_4 2.2nH R_1290Ω
L_5 0.8nH R_2135Ω
（W / L）1 18 / 0.18R_340Ω
（W / L）2 30 / 0.18
并且M_3使用电感器L_0制作LC梯形结构。 直流负载电阻R_1和R_2分别与并联峰值电感L_1和L_2组合，以有效地扩展电路带宽[10]。 串联峰值电感器L_2还与M_2和M_3的漏极处的总寄生电容C_d2和C_d3共振。 由于增加了负载电阻R_3以降低L_3的Q因子以获得平坦增益。 对于所提出的电路中的所有晶体管，考虑0.18μm的最小沟道长度，以最小化寄生电容并改善频率性能。 公共源级扩展带宽，提供更好的隔离并增加频率增益。 实际上，输入级和公共源级分别支持低频功率增益和高频功率增益。 两种频率响应的组合导致宽带功率增益。 晶体管M5还有助于共源级增加和平滑频率增益。 图2显示了M5对S21参数的影响。
图2 M5对S21参数的影响
在图3中，研究了M1作为输入阶段的影响。 将模拟的NF和S11参数与M1关闭的情况进行比较。 NF和S11之间存在密切的权衡。 当M_1打开时，NF增加并且S21参数以相同的功耗和类似的带宽减小，但相反将实现可接受的输入匹配。 应特别注意输入级中共栅结构的噪声特性，尽管晶体管M_1提供宽带匹配，但它具有固有的高噪声系数。
图3。 M1的模拟噪声系数和输入隔离开启和关闭。
为了研究噪声性能，使用具有沟道热噪声的MOS晶体管噪声模型。 如图4所示，忽略栅极和闪烁噪声并假设在该分析中完美匹配，信道热噪声的PSD（i_（n，d）^ 2）given给出为
（i_（n，d）^ 2）̅=4KTγg_doΔf=4KTγ/αg_mΔf（1）
其中Boltzmann常数是开尔文的绝对温度，γ是MOS晶体管的沟道热噪声系数，α定义为跨导比g_mand与零偏置漏极电导率g_ds的比，并且是带宽的噪声系数分别测量。
以下等式描述了R_1，M_1，M_2和M_3的噪声系数，它们对整体噪声系数[1]有贡献
图4。 噪声原理图
如果建立条件（2），则省略M_1的噪声[1]。
g_m2 R_1 = g_m3 R_s（2）
以下等式描述了R_1，M_2和M_3的噪声系数，它们对总噪声系数有贡献。
F_R1 =（4KT〖R_1 g_m2〗^ 2）/（KTR_s（g_m3 +〖g_m2R〗_1 / R_s）^ 2）= R_s / R_1（3）
F_M2 =（4KTγ/αg_m2）/（KTR_s〖（g_m3 + g_1m1（Z_（L_R1）‖r_o1）g_m2）〗^ 2）=γ/α1/（g_m2 R_1）F_R1（4）
F_M3 =（4KTγ/αg_m3）/（KTR_s〖（g_m3 + g_m1（Z_（L_R1）‖r_o1）g_m2）〗^ 2）=（4γ/α）/（〖g_m3R〗_s〖（1 + R_s g_m1） 〗^ 2）（5）
因此，总噪声系数可近似为（6）
F_total = R_s / R_1（1 +γ/α1/（g_m2 R_1））+（4γ/α）/（〖g_m3R〗_s（1 + R_s g_m1）〗^ 2）（6）
IV。模拟结果
用0.18μmTSMC库Hspice软件模拟电路。 所有仿真都是在考虑50Ω输入和输出端子的情况下完成的。 在图15（a）中，模拟了LNA的增益功率和反向隔离。 平均增益功率约为14.5 dB，在频率范围内具有0.7 dB纹波。 反向隔离小于-35dB。 图.5（b）显示了噪声系数，输入和输出隔离。 NF小于2.9 dB，S11小于-14.8db，S22大约小于-10dB。
（二）
图5。（a）模拟增益功率和反向隔离（b）模拟噪声系数，输入隔离和输出隔离
“图6”显示了电路的IIP3与频率的关系。
图7。 测量的IIP3与频率的关系
这项工作的结果显示在“表II”中，并与最近发布的CMOS LNA进行了比较。
表2性能摘要
VI。 结论
本文介绍了一种基于标准RFCMOS技术的UWB LNA结构的新设计。 在考虑共栅级的输入阻抗与其之间的权衡之后，获得令人满意的输入匹配和噪声性能。 噪音表现。 测得的噪声系数小于2.9-3.1-GHz的10.6 dB。 在所有LNA设计中值得一提的是平坦增益，模拟功率增益为14.5±0.7 dB。
参考文献：
[1]廖智帆和刘申元，“用于3.1-10.6-GHz UWB接收器的宽带降噪CMOS LNA”，《 IEEE固态电路学报》，第42卷。 2号2007年XNUMX月XNUMX日
[2]何光池，李明宗，李晨鸣和Jenn-Hwan Tarng，用于UWB应用的并行RC反馈低噪声放大器–电路和系统上的IEEE交易– II：内容提要，第一卷。 57号8年2010月XNUMX日
[3]黄哲阳，黄彻成，陈俊杰，洪忠志和陈家敏”电感耦合器
适用于3.1-10.6GHz超宽带系统的谐振CMOS低噪声放大器”©2009 IEEE
[4]阳阳，李嘉诚，Alper Cabuk，马建国，Manh Anh Do和陆正豪，“一种适用于3.1至10.6 GHz超宽带无线接收器的新型CMOS低噪声放大器设计” IEEE交易电路和系统– I：常规论文，第53卷。 8号2006年XNUMX月XNUMX日
[5] Ali Mirvakili，Mohammad Yavari，Farshid Raissi，“用于1-10.6 GHz UWB接收机的线性电流复用LNA”，IEICE电子快讯，第5卷，第21,908-914号
[6] S. Stroh，“超宽带：多媒体被拔出”，IEEE Spectrum，第40卷。 9号23，第27-2003页，XNUMX年XNUMX月。
[7]弗拉基米尔·阿帕林（Vladimir Aparin）和劳伦斯·E·拉尔森（Lawrence E. Larson），研究员，IEEE“改进的导数叠加方法，用于线性化FET低噪声放大器”，《微波理论和技术的IEEE交易》，第一卷。 53号2年2005月XNUMX日
[8] A. Batra等人，“多频带OFDM物理层建议”，IEEE 802.15-03 / 267r5，2003年XNUMX月。
[9]陈诗致，王瑞玲，郭尚龙和龚明龙高昌星“具有热噪声消除功能的全频带（3.1-10.6GHZ）CMOS UWB低噪声放大器的设计”会议论文集2006年亚太微波会议的报告。
[10] SS Mohan，MDM Hershenson，SP Boyd和TH Lee，“具有优化的片上电感器的CMOS带宽扩展”，IEEE J.固态电路，第35卷。 3，没有346，第355-2000页，XNUMX年XNUMX月。
[11]黄哲阳，黄彻成，陈春捷，洪忠志和陈家敏“用于3.1-10.6GHz超宽带系统的电感耦合谐振CMOS低噪声放大器”
[12]辛春雨，Edgar S´anchez-Sinencio，“射频低噪声放大器的线性化技术”
[13]胡建云，朱云亮和吴慧”具有噪声消除功能的超宽带电阻反馈低噪声放大器
in0.18μmDigital CMOS” 978-1-4244-1856-5 / 08 / $ 25.00©2008 IEEE
[14] J.-H. Lee C.-C. 陈和Y.-S. Lin” 0.18 lm 3.1-10.6 GHz CMOS UWB LNA，具有11.4_0.4 dB的增益和100.7_17.4 ps的群延迟”，《电子信函》，22年2007月43日，第24卷。 XNUMX号XNUMX
[15] C.-P. 梁俊武黄永。 林和S.-J. Chung“具有新匹配技术的3-10 GHz超宽带低噪声放大器” ELECTRONICS LETTERS，5年2010月46日，第一卷。 16号XNUMX
[16] Wang Hongrui Wang，Li Li Zhang和Yuzhiping Fellow，“具有低功耗低电压应用的具有局部反馈和噪声消除功能的宽带无电感LNA”，电路和系统的IEEE交易– I：常规论文，卷。 57号8年2010月XNUMX日
[17] TH Lee，CMOS射频集成电路设计，1st编辑。 纽约：剑桥大学 按，1998。
[18]辛春雨，Edgar S´anchez-Sinencio，“射频低噪声放大器的线性化技术”，ISCAS 2004
[19] Ali Mirvakili和Mohammad Yavari，“用于UWB DS-CDMA接收器上频带的降噪CMOS LNA设计”，电路和系统，2009年。ISCAS2009。IEEE国际研讨会。
[20] S. Galal和B.Razavi，IEEE ISSCC Dig中的“ 40 _mCMOS技术中的0.18 Gb / s放大器和ESD保护电路”。 科技论文，2004年480月，第481-XNUMX页。