基于噪声消除技术的3~5GHz CMOS超宽带LNA设计

简介：
本研究致力于设计一种适用于3-5GHz频段的CMOS低噪声放大器(LNA)，采用先进的噪声消除技术以提升信号质量和降低噪声，为无线通信设备提供高效解决方案。 在现代无线通信系统中，低噪声放大器（LNA）是至关重要的前端组件之一，其性能直接影响到整个接收机系统的灵敏度和信号质量。超宽带（UWB）技术的发展使得在3～5GHz这一频段内实现高增益、低噪声以及宽带输入匹配的LNA设计变得尤为重要。 本段落提出的CMOS超宽带低噪声放大器设计方案着重探讨了如何通过应用噪声消除技术来改善UWB系统中的信号处理性能。文中介绍了超宽带系统的频段要求，即3～5GHz，并指出在此频段内设计LNA时必须考虑实现宽带输入匹配的问题。传统的宽带LNA设计方法如分布式放大器和平衡放大器虽然可以获得较好的宽频特性和输入匹配，但它们消耗的直流功耗较大，这对于UWB系统来说是不经济的。 本段落探讨了带通滤波器输入匹配结构和并联电阻负反馈结构这两种方案，在实现良好的宽带输入匹配及噪声性能的同时可以减少直流功耗。所提出的LNA设计中主放大部分采用了并联负反馈Cascode结构，并通过引入电阻反馈回路来降低输入端的品质因子，从而扩展频带。 文中详细分析了Cascode结构中的共源晶体管M1、共栅晶体管M2以及源极跟随器M3和M4的功能与配置。这种前馈噪声消除结构可以有效地降低噪声系数，提高LNA性能。设计中关键参数包括片内隔直电容（C1、C2和C3）、反馈电阻Rf、反馈回路上的隔直电容Cf以及输入匹配网络中的电感Lg和L1。这些元件的合理配置保证了在3～5GHz频段内的宽带输入匹配，即输入阻抗实部接近于50Ω，在4.2GHz附近虚部为零且幅值距离50Ω不远。 增益提升是通过增大等效跨导Gm和负载阻抗ZL来实现的。然而这些参数与频率有关，需要仔细折衷以确保增益平坦度。为了进一步提高增益，设计中引入了电感L3进行频率谐振，从而增强增益效果。同时合理配置负载Q值可以满足带宽需求并扩展输出带宽。 噪声抵消分析是本设计的一大亮点。Cascode结构中的噪声电流通过反馈阻抗ZF(s)、电感Lg和Rs导致在M1的栅极与M2的漏极产生相位相近但幅度不同的噪声电压，而反相放大器M4和同相放大器M3的设计可以将这些噪声电压叠加减小，在输出端实现噪声消除。整个过程基于前馈技术通过模拟电路设计分离信号与噪声，并在最终输出时抑制噪声、放大信号。 仿真结果表明，在3～5GHz频段内，输入阻抗、增益及噪声消除均满足设计要求；尤其是在高频段实施的噪声消除技术有效减小了输出端的噪声电压幅值。这验证了所提设计方案的有效性与可行性，并为UWB通信系统的LNA优化设计提供了有价值的参考和技术基础。