超宽带LNA设计：噪声优化与切比雪夫滤波器应用

"该文介绍了一种基于TSMC 0.18微米CMOS工艺的超宽带低噪声放大器（LNA）设计，利用切比雪夫滤波器实现输入匹配，并采用噪声消除技术优化性能。设计适用于3至10 GHz的超宽带无线通信系统，具有宽频带、简单输入匹配和优良噪声性能的特点。仿真结果显示，LNA在指定频段内具有良好的S参数，噪声系数低，且功耗经济。" 本文探讨了超宽带无线通信系统接收前端的关键组件——低噪声放大器（LNA）的设计方法。在0.18微米互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺平台上，设计者采用了经典的共源共栅放大器结构作为基础，该结构因其高增益和良好的线性特性而被广泛采用。为了应对超宽带输入匹配的挑战，设计中融入了三阶切比雪夫滤波器。切比雪夫滤波器以其在带内的均匀衰减特性，确保了在整个3至10 GHz频率范围内输入阻抗的良好匹配，同时还能补偿接收天线的非理想特性。 图1显示了采用三阶切比雪夫滤波器的输入匹配网络，包括电感L1、C1、L2、C2和有源极电感Lg，以及补偿电容Cp。通过计算滤波器的参数，如带内波动系数p，可以确定这些元件的具体值，以满足所需频带内的匹配条件。例如，文中给出了在3.1至10.6 GHz频段内的具体参数值，如L1=1.05nH，C1=751.6fF等。 在噪声性能优化方面，文章强调了在MOSFET中的热噪声是主要考虑因素。为减少噪声，设计中采取了噪声消除技术，针对M1晶体管的沟道热噪声ind进行处理。图3和4展示了晶体管的噪声模型和噪声消除策略。通过在M1的漏级和栅极处设置M2和M3，两个完全相关但相位相反的噪声电压得以转换并相互抵消，从而降低了整体噪声系数。 根据仿真结果，设计的LNA在3至10 GHz的频率范围内，S11和S22参数均小于-10 dB，表明了良好的输入和输出反射性能；S21增益在15 dB至10 dB之间，意味着稳定的放大能力。同时，噪声系数NF在1.5 dB至2.3 dB之间，这是一个非常优秀的成绩，意味着信号在放大过程中受到的噪声污染极小。此外，整个电路在1.8 V的供电电压下仅消耗14.5 mW的功率，体现了其高效的能效。 总结而言，该设计提供了一种有效的方法，通过结合切比雪夫滤波器和噪声消除技术，实现了超宽带LNA的高性能和低功耗，对于超宽带无线通信系统的接收前端具有重要的实践意义。