页面放大缩小高度值在一定范围内_低噪声放大器的宽带匹配技术

在 此前《射频接收机的三种常见结构》 一文中，低噪声放大器(LNA)在多种接收机结构中都作为接收机第一级有源器件，承担接收机的低噪声下“放大”功能，在抑制噪声干扰的同时提高了输入信号的功率，并将信号传递给下一级的混频器。LNA的输入端直接与滤波器或天线相连，因此要和前级在一定频带内形成良好的阻抗匹配，以降低信号反射从而提高信号传输，一般端口的阻抗设置为50欧姆[1]。 目前宽带匹配技术主要有负反馈、滤波结构、分布式、共栅极结构等。本文将粗略介绍这几类宽带匹配技术，并分析其优缺点，以便为之后的电路设计提供部分参考。 负反馈在共源极放大器的栅漏极间设计反馈电阻，利用负反馈环路实现输入阻抗的宽带匹配。其能在很宽的频带实现平稳的增益和输入匹配。因此该技术被广泛用于宽带LNA，在超宽带(UWB)等LNA有不少的设计。其典型结构如图1所示

图1 典型的电阻并联负反馈结构

忽略了寄生电阻和栅漏电容的影响，其输入阻抗[2]

电阻负反馈的结构简单，不需电感器件，芯片的占片面积小，具有低成本优势，因此也受到了广泛研究和应用。设定合适的反馈电阻Rf、漏极负载Rd 和输入端的跨导，便能实现50Ω宽带匹配。但是此类结构也有自己缺点，第一，匹配带宽取决于反馈电阻的大小，为了获得宽带，则势必减小反馈电阻，但反馈电阻减小增益也将降低，则对后续电路的噪声抑制度降低。第二，该结构中形成了反馈环路，一定程度恶化了稳定性。第三，反馈电阻引入的热噪声可能会超过负反馈对原噪声的抑制效果，LNA电路噪声性能由此变差。滤波结构滤波网络匹配则是利用滤波器原理实现的可控宽频带匹配。下图2显示了一款利用滤波器网络实现宽带输入匹配的LNA[3]

图2 利用滤波网络实现宽带匹配的共源极放大器结构

该结构可视作共源极放大器前置了一个滤波器网络，设置前置的滤波网络使其与共源极放大器输入端的虚部网络正好构成切比雪夫带通滤波器，在所需要的频带内实现总体虚部为零。输入阻抗的实部则由共源极放大器提供。根据要求的带宽，可设置n阶滤波网络，理论上滤波网络的阶数越高，能实现的匹配带宽越宽。但是滤波网络实现的宽带匹配有着巨大劣势。首先，多阶滤波势必要用到多个电感电容，因此芯片面积将变得很大，成本高昂也不利于小型化。其次，若处在较高频率，CMOS中电感的Q值往往较低，会产生较大的寄生效应。分布式分布式放大结构在宽带匹配设计中也有着广泛的应用，可以实现很宽的输入匹配和增益[4]。早先的分布式放大结构中，在多个级联CS级放大器间采用传输线形式形成看过去的输入特性阻抗为50欧姆。随着CMOS技术的不断发展，如今大多数已经利用电感和CS的MOS管中寄生电容形成伪传输线，从而达到宽带内的匹配。其典型结构如图3所示

图3 采用分布式结构实现宽带输入匹配的LNA

该结构含有多个CS级联，在实现宽带匹配时，也能实现多级形成的高增益带宽。与滤波网络相同，从理论上，随着级联级数增加，其输入带宽和增益带宽能持续增加下去。但是与此相同的是，分布式放大结构依然要使用大量的电感，占用了大量芯片面积，成本高昂，其次CMOS工艺下电感的低Q值使之在高频段引入大量噪声，以及电感寄生效应产生的电阻所带来的插损，限制了其增益。除此之外，分布式放大结构的多个MOS管处于饱和区，使得该结构的LNA功耗往往非常大[5]。虽然其带宽和增益可观，但往往不适用于低成本，高频率，便携式的应用中。共栅极结构共栅极结构实现的宽带输入匹配。相比于在输入端引入栅漏电容而降低带宽的共源极结构，共栅极甚至不需要附加电感电阻器件就能实现匹配。在多种匹配技术中易于实现且效果良好，因此它被广泛的应用。下图4所示便是典型的共栅极结构

图4 典型的共栅极结构

输入信号从MOS管源极流入，则从输入端看过去的阻抗为

由上式可知，仅通过调节MOS管尺寸或者偏置电压，令跨导倒数为50欧姆，而MOS管的跨导随频率变化较小，因此便能实现宽带匹配[6]。该结构芯片面积相较于前几种技术大大缩小，也易于实现。但该结构也有缺陷，共栅极的噪声系数要比共源极大，此外为了实现阻抗匹配，其跨导被限定在20mS，因此单个共栅极的增益做不到很大。小结在设计LNA的匹配电路时，首先要依据整个放大电路所关注的指标(诸如面积、噪声、带宽等)来判断取舍所采用的匹配技术。比如要求占片面积小，则分布式或滤波结构自然要排除在外。在要求较低噪声时，共栅结构便不具有优势。之后根据要达到的带宽，对拟用的输入网络的参数或者阶数不断调整，从而达到设计目标。参考文献

[1]李智群，王志化.射频集成电路与系统[M]．北京：科学出版社，2008

[2]Chen Y. E, Huang Y. Development of integrated broad-band CMOS low-noise amplifier[J]. IEEE Transactions on Circuit and Systems, 2007, 54(10): 2120-2127

[3]A. Bevilacqua and A. M. Niknejad. An ultrawideband CMOS low-noise am-plifier for 3.1-10.6-GHz wireless receivers[J]. IEEE Journal of Solid-State Cir-cuits, 2004, 39(12): 2259-2268,

[4]C. Feng, X. P. Yu, W. M. Lim, and K. S. Yeo. A Compact 2.1–39 GHz Self-Biased Low-Noise Amplifier in 65 nm CMOS Technology[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 23, no. 12, pp. 662-664, Dec 2013

[5]J. F. Chang and Y. S. Lin. DC∼10.5 GHz complimentary metal oxide semi-conductor distributed amplifier with RC gate terminal network for ultrawideband pulse radio systems[J]. IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 6, no. 2, pp. 127-134, Jan 2012.

[6]Rong-Fu Ye, Tzyy-Sheng Horng. Two CMOS Dual-Feedback Common-Gate Low-Noise Amplifiers with Wideband Input and Noise Matching[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2012, 61(10): 3690-3699

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