基于窄带LNA与电阻并联反馈结构实现低噪声放大器的设计
uwb是一种短距离的无线通讯方式，极宽的带宽使uwb具有很高的数据传输速率（可达到1gbps以上）。低功耗、高数据传输速率、低成本、抗干扰性能强等优点使这种通讯技术能广泛应用于室内通信、高速无线lan、家庭网络、安全检测、位置测定、雷达等领域，市场应用前景非常广阔。
低噪声放大器（lna）是无线接收系统中的第一个模块，它影响着整个系统的带宽、噪声、功耗等性能。uwb系统的频带有两个频段：低频段为3.1~5ghz，高频段为6~10.6ghz。几个ghz的带宽增加了lna的设计难度。对于低成本、低功耗的应用，cmos 工艺是很好的选择。目前基于cmos工艺的集成宽带放大器的结构主要有三种：分布式结构、lc网络匹配结构和电阻并联反馈结构。分布式放大器能提供较大的带宽，但由于采用多级级联，功耗和占用硅片面积都很大。lc网络匹配放大器有较大的带宽和较低的功耗，但其匹配网络采用无源滤波器结构，无源器件占用了很大的面积。传统的电阻并联反馈结构有着良好的带宽和增益平坦度，但噪声性能很差，功耗也比较大。
本文结合窄带lna与电阻并联反馈结构，利用0.18mm cmos工艺设计了一种应用于uwb低频段的lna，此lna在噪声、功耗、硅片面积等方面都有较大优势。
宽带lna的设计
窄带低噪声放大器常采用共源共栅（cascode）结构，它能够提供高的增益和隔离度，且噪声性能良好，所以得到广泛的应用。图1为其小信号等效电路图，ind2 、ing2 分别表示漏极电流噪声和栅噪声，表达式如下：
式中，gdo是vds为零时的漏－源电导。参数g在vds为零时的值为1，在长沟道器件中饱和时这个值减小到2/3。在短沟道器件中，g在高的vgs和 vds下可能大于2。d在长沟道器件中为4/3（短沟道器件中为长沟道器件的2~3倍）。ct=cgs+cex这两个噪声源是部分相关的，它们的相关系数为：
rn为噪声电阻，zopt是最优的信号源阻抗，fmin是最小噪声因子。式中的a等于gm/gd0，为截止频率。从式（4）和（6）可以看到，电容cex的存在与否不对噪声电阻rn和fmin造成影响，但它能够使得电路在噪声匹配和输入匹配下达到低功耗。lna的输入阻抗可以表示为：
通过选择适当大小的ls和cex，式（8）-（11）能够同时满足。
图2（a）是本文所采用的超宽带lna的电路结构。通过在cascode结构lna上添加一个电阻rf，构成并联反馈，从而降低lna 输入电路的q值，增大了带宽。lload用来作为输出端的并联谐振电感。出于测试的目的，核心电路后面连接一个由m3、m4组成的源极跟随器，并且提供宽带输出匹配。电容cf、c1和c2用来作为耦合电容。
图2（b）是输入端的小信号等效电路图。电阻rfm是rf的密勒等效电阻。在传统的并联电阻反馈电路中，由于rfm决定输入电阻，rf大小受到其限制。而本文所用电路的输入电阻由wtls决定。此lna的q值表达式如下：
从式（13）可以看出，通过适当的选择rf，降低q值，窄带lna能够转变成一个宽带lna。
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式中，gdo是vds为零时的漏－源电导。参数g在vds为零时的值为1，在长沟道器件中饱和时这个值减小到2/3。在短沟道器件中，g在高的vgs和 vds下可能大于2。d在长沟道器件中为4/3（短沟道器件中为长沟道器件的2~3倍）。ct=cgs+cex这两个噪声源是部分相关的，它们的相关系数为：
rn为噪声电阻，zopt是最优的信号源阻抗，fmin是最小噪声因子。式中的a等于gm/gd0，为截止频率。从式（4）和（6）可以看到，电容cex的存在与否不对噪声电阻rn和fmin造成影响，但它能够使得电路在噪声匹配和输入匹配下达到低功耗。lna的输入阻抗可以表示为：
通过选择适当大小的ls和cex，式（8）-（11）能够同时满足。
图2（a）是本文所采用的超宽带lna的电路结构。通过在cascode结构lna上添加一个电阻rf，构成并联反馈，从而降低lna 输入电路的q值，增大了带宽。lload用来作为输出端的并联谐振电感。出于测试的目的，核心电路后面连接一个由m3、m4组成的源极跟随器，并且提供宽带输出匹配。电容cf、c1和c2用来作为耦合电容。
图2（b）是输入端的小信号等效电路图。电阻rfm是rf的密勒等效电阻。在传统的并联电阻反馈电路中，由于rfm决定输入电阻，rf大小受到其限制。而本文所用电路的输入电阻由wtls决定。此lna的q值表达式如下：
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