0.18μm CMOS UWB LNA: 13.5dB增益与低噪声设计

本文主要探讨了一种采用CMOS技术设计的高性能超宽带低噪声放大器（UWB LNA），工作频率范围为3 GHz至5 GHz。该设计采用了窄带PCSNIM LNA拓扑结构和并联低Q负载，旨在实现低噪声和高线性度的性能。电路的关键特点包括： 1. 技术基础：利用TSMC 0.18 μm RFCMOS工艺，这是一种先进的CMOS制造工艺，有助于减小器件尺寸，提高集成度和效率。 2. 电路组件： - PCSNIM LNA：窄带结构有助于保持良好的噪声性能和输入输出阻抗匹配。 - 并联低Q负载：通过降低Q值，有助于扩展带宽，同时抑制谐振峰，提升信号处理能力。 - 高阶带通滤波器：在输入和输出端的引入可以改善频率响应，防止外部噪声和信号干扰。 3. 性能指标： - 功率消耗：在1.8 V直流电压下，LNA的功耗控制在10.6 mW，显示出良好的能效。 - 增益与衰减：在3 GHz～5 GHz频段内，增益大约为13.5 dB，输入和输出回波损耗S11、S22均小于-14 dB，保证了信号的传输质量。 - 噪声系数：NF值在0.875 dB～4.072 dB范围内，体现出良好的噪声抑制能力。 - 非线性性能：三阶交调点IIP3的均值为5.35 dB，确保了在高信号强度下的信号稳定性。 4. 设计策略： - 电流镜和去耦电路：通过I_DC、M3和R1的组合，实现了电流稳定和噪声降低。 - 滤波网络：L1、L2、L3、C1和C0构成的五阶T型LC滤波网络扩展了输入匹配带宽。 - 级间匹配：Lm和Cm用于M1和M2之间的匹配，优化了整体性能。 5. 设计限制与优化：为了平衡噪声性能和功耗，选择了合适的M1和M2栅宽，如两者均为80 μm，并通过调整电容Ce来最小化芯片面积。 这篇文章提出了一种创新的UWB LNA设计，结合了窄带结构的优点和CMOS工艺的优势，实现了宽频带、低噪声和高效能的特点，适用于短距离传输、高速无线LAN和成像处理等领域。这种设计对于推动超宽带通信技术的发展具有重要意义。