0.1～1.6GHz宽带低噪声放大器的分析与设计
张浩 邓青 刘海涛 谢书珊 万川川
（南京电子技术研究所，南京，210039）
摘要：本文给出了一个宽带、高线性度的低噪声放大器的分析与设计。详细分析了噪声抵消的原理和条件，采用噪声抵消技术设计了0.1～1.6GHz的宽带低噪声放大器。该低噪声放大器采用TSMC 0.18um RF CMOS工艺实现，测试结果表明，在0.1～1.6GHz 频率范围内，增益20dB，噪声系数1.5dB，输入1dB压缩点−6dBm，在1.8V的电源电压下，消耗电流20mA。
关键词：噪声抵消；低噪声放大器；高线性度
Analysis and Design of a 0.1～1.6GHz Broadband Low Noise Amplifier
Zhang Hao，Deng Qing，Liu Haitao，Xie Shushan，Wan Chuanchuan
（Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing，210039）
Abstract： A broaband，high linearity low noise amplifier was analyzed and designed.The noise canceling theory and condition was analysed in detail.By using the noise canceling technique to realize the low noise figure and broad band width from 0.1～1.6GHz.The LNA was fabricatied in TSMC 0.18um RF CMOS process，the test results show that，from 0.1 to 1.6GHz，the power gain is 20dB，noise figure is 1.5dB，input 1dB compression point is − 6dBm，and the power consumption is about 20mA under 1.8V supplyVoltage.
Key words： noise canceling，low noise amplifier，high linearity
1 引言
随着数字电视、广播系统和低频雷达系统的发展和广泛应用，低频宽带系统得到了广泛的发展，宽带高线性度低噪声放大器是此类系统中最主要的难点。
低噪声放大器作为接收机的第一级有源电路，其增益、噪声系数等性能对整个系统功能的实现起着决定性作用。宽带低噪声放大器必须能在很宽的频带范围内实现输入阻抗匹配、提供平坦的增益、同时具备较低的噪声系数。通常采用的宽带低噪声放大器结构有电阻并联反馈共源共栅结构、共栅结构、LC带通滤波器结构和分布式放大器结构。前两种结构能够实现较好的宽带阻抗匹配，但是它们的噪声系数都较大，最小噪声系数通常在3dB以上；LC带通滤波器结构能够克服噪声问题，然而必须采用多个片外无源元件，不利于大规模集成，同时由于电感的原因，很难覆盖低频频段；分布式放大器具有能够同时实现超宽带和阻抗匹配的优点，由于需要用到传输线和多级级联，必然需要大的芯片面积和功耗，而且也不适合低频应用。针对上述几种结构的缺点，本文采用一种基于噪声抵消技术的宽带低噪声放大器，不需要电感元件，可以覆盖较低的频率，同时达到较低的噪声系数。
2 电路设计
2.1 噪声抵消技术
通常电路的主要噪声源都来自放大MOS器件的沟道热噪声，采用噪声抵消技术可以有效的减小沟道热噪声。噪声抵消技术的主要思想是增加额外的通路，使得沟道热噪声经过不同的通路到达输出后能够相互抵消。噪声抵消的原理如图1所示。
假设M1所产生的噪声电流为in.M1，则噪声电流在a和b两个节点将产生相同相位的噪声电压，而共源结构的放大器有用信号在a和b两个节点的相位将相反。通过引入一个反相放大器，将M1栅端的信号和噪声同时放大，再与M1漏端的信号和噪声相叠加，在c点就可以减小甚至完全消除M1引入噪声的影响，而有用信号将被放大后叠加。这样，在输出端vo将可以完全消除M1所产生的噪声的贡献。同时，输出有用信号也得到了增强。
图1 噪声抵消原理示意图
图2 噪声抵消LNA电路实现
2.2 基于噪声抵消技术的低噪声放大器
基于噪声抵消技术的低噪声放大器如图2所示。输入级M1A和M1B为电流复用形式，可增加跨导效率，从而降低电路功耗。第一级和第二级之间采用交流耦合，C1为耦合电容，R1取值大于100kΩ，这样可以保证第一级低频信号有效传输到第二级。M2A和M2B为共源共栅结构，一方面提高反向隔离，另一方面作为源极跟随器M3的负载可以增加其输出阻抗。电容C2为电流源旁路和滤波电容。M4～M8为电流镜，分别为第一和第二级提供恒定电流。
为了更好的理解噪声抵消技术，下面进一步分析了噪声抵消放大器的噪声抵消条件和电路的增益。M1产生的噪声电流在a点和b点产生的噪声电压vs，a和vs，b以及输入信号在b点的信号电压分别表示为：
假设M1，M2和M3的输出阻抗ro为无穷大，通过小信号分析可以得到电路的输入阻抗和输出阻抗分别为：
Ri≈1/gm1，Ro≈1/gm3 （2）
抵消放大器的增益为：
忽略M3的衬底偏置效应，可以得到源极跟随器M3管的电压增益为：
有以上分析可以得到，M1的噪声电流在输出端产生的噪声电压可以表示为：
欲使该噪声电压为0，也即vn，o=0，则有
gm2=（1+Rf/Rs）/Rs （6）
式（6）为噪声抵消条件，当gm2满足噪声抵消条件的时候，由于M1管引入的噪声将被抵消，此时，抵消放大器的增益为：
另外一方面输出端信号的电压可以表示为：
因此电路的总电压增益为：
Av=vs，o/vs，a=−Rf/Rs （9）
通过以上分析，可以得到基于噪声抵消技术的低噪声放大器设计步骤如下：
（1）根据增益要求，由式（9）选择合适的反馈电阻Rf；
（2）由式（2），计算出合适的gm1和gm3，以满足端口阻抗匹配的要求；
（3）根据已经确定的Rf值和式（6），选择合适的gm2。
3 测试结果
低噪声放大器的芯片照片如图3所示，包含焊盘在内，芯片面积为470μm×500μm。由于电路没有用到电感元件，芯片面积较小。
图3 低噪声放大器版图
图4 S参数测试结果
芯片采用在片测试的方法，测试所使用的主要仪器有Agilent公司的E5071B网络分析仪、E4440A频谱仪、N8975A噪声分析仪和E4438C信号发生器等，分别对电路的S参数、噪声系数、1dB压缩点和三阶互调点进行了测试，其中S参数的测试结果如图4所示，输入输出匹配较好。噪声系数的测试曲线如图5所示，在1GHz时，噪声系数达到最小值，约为1.2dB。
图5 噪声系数测试结果
图6 输入1dB压缩点测试结果
输入1dB压缩点的测试采用扫描输入功率记录相应的输出功率的方法，根据测得的数据描点得到的输出功率随输入功率变化曲线如图6所示，由图可知输入1dB压缩点约为−6dBm。
4 结束语
本设计详细分析了噪声抵消技术的原理和电路实现方法，并介绍了一个采用噪声抵消技术的宽带CMOS低噪声放大器芯片的设计和测试结果。芯片采用TSMC 0.18-µm RF CMOS工艺实现。测试结果表明，采用该技术的宽带低噪声放大器能够在宽的工作频率范围内得到较低的噪声系数、良好的阻抗匹配、适当的增益和较高的线性度等特性，可以广泛应用于数字电视和低频雷达等系统中。
作者简介
张浩，男，1982年生，籍贯郑州，工程师，主要从事射频、微波集成电路及系统研究和设计，zhang.hao@magnichip.com。
邓青，男，1975生，籍贯南京，高级工程师，主要从事数字电路算法设计，dennis-deng@sina.com。
刘海涛，男，1981年生，籍贯山东，工程师，主要从事IT支持及服务器管理和数模混合电路设计，hitalllau@163.com。