【深度】新型高性能超宽带低噪声放大器设计

Original 学术plus 学术plus 2022-07-29

今日荐文

今日荐文的作者为长江大学文理学院专家李相敏、康壮等。本篇节选自论文《新型高性能超宽带低噪声放大器设计》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第1期。

摘要：基于0.18 μm CMOS工艺，设计了一款工作于4.2～11.9 GHz的低噪声超宽带低噪声放大器(LNA)。该LNA采用一种增强π型匹配输入网络实现超宽带输入阻抗匹配以及平坦的高增益。为了取得较低且平坦的噪声系数，将二阶噪声系数频率响应的极点频率和极点品质因数优化到最大平坦状态。流片实现的芯片测试结果表明：该LNA消耗了10.1mW的功耗，在低于13.3GHz的频率下S11均低于-10dB，在频率2GHz～12.2GHz间，取得了12.6±1.5dB的高增益，表明该LNA的3dB带宽为10.2GHz。而且，该LNA在8GHz下取得了2.4dB的最小噪声系数，在4.2～11.9GHz频率间，噪声系数为2.6±0.2dB。在8 GHz频率下，测试得到的输入三阶交调截止点IIP3为-0.5 dBm。

关键词:高性能；低噪声放大器；超宽带；低功耗

引言

近年来，性能优良的超宽带CMOS低噪声放大器(LNA)在文献中多有报道。例如，文献[2]报道了一种超低功耗的超宽带LNA，该LNA在0.5V电压供电下，消耗了0.75mW的功耗，取得了12.6dB的增益，但是噪声系数性能较差，高达5.5dB；文献[3]所报道的基于65nm CMOS设计完成的LNA，增益为13dB，噪声系数取得了2.1～3.5dB的良好性能，但是由于电路中的有源器件过多，导致了功耗过大，功耗高至20.8 mW；文献[4]报道了一款基于90 nm CMOS工艺设计完成的两级LNA，虽然取得了7.2mW的较低功耗， 11±1.5 dB的较平坦增益S21，但是噪声系数性能较差；文献[5]采用宽带双级RLC分支输入匹配网络实现两级CMOS LNA的超宽带工作，但是该结构需要嵌入五个电感，占用了过大的芯片面积，不利于成本的降低；为了进一步降低文献[5]中LNA的功耗，文献[6]引入了衬底正向偏置技术，但是退化了电路的噪声，并且仍需要在电路中嵌入五个电感；本文为了同时实现小芯片面积、合理的功耗、较高且平坦的增益、和较低且平坦的噪声系数，提出并设计了一种嵌有三个电感的超宽带两级LNA。

1 电路设计

本文所提出的基于反相器形式的两级LNA电路图如图1(a)所示，电路中晶体管M₂和M₄分别利用晶体管M₁和M₃的偏置电流，不需增加额外的驱动电流，降低了电路整体功耗。

2 非理想信道模型

在实际系统中，发射端获得的信道状态信息不可避免的存在误差，这些误差包括信道估计误差、获得信道状态信息以后信道发生变化所带来的误差，以及反馈带来的量化误差等等，本文将使用基于信道估计误差的非理想信道模型，图1描述了这种信道模型。

图1 非理想信道模型

3 鲁棒的GMD-THP算法

3.1 GMD-THP算法系统方框图

在单用户MIMO系统中，预编码系统发射端只为一个接收端进行经过预编码操作的通信服务。本文将重点研究基于最小均方误差MMSE准则的单用户GMD-THP预编码系统。在这里为了方便起见，我们假设发射天线数目与接收天线数目相同，即M=N=K。

图2 GMD-THP预编码流程方框图

图3 发射端预处理等效图

由图3可以很容易得出如下等式：

其中V是等效反馈部分的输入信号向量。

第二，系统噪声n为加性高斯白噪声，满足均值为0，协方差矩阵的复高斯分布。

3.2 鲁棒的GMD-THP算法推导

由系统方框图可知：

由于我们研究对象为非理想信道信息状态，因此使用非理想信道模型，将式（1）代入式（8），则收发信号误差为：

设总发射功率为Pt，则在最小均方误差MMSE准则下，求解编码矩阵的最优化问题为：

可以看出，直接求解式（10）比较困难，可以利用误差和信号正交化的方法求解，因此可得：

4 实验仿真及结果分析

下面通过仿真实验来比较本文提出的鲁棒GMD-THP编码与传统GMD-THP预编码在误码性能是否有所提高。该实验采用的MIMO信道模型为平坦衰落信道，衰落系数满足瑞利分布。仿真实验将在一定信噪比（SNR）的条件下比较系统误码率（BER），采用4-QAM的调制方式，发射天线数目与接收天线数目相同，即M=N=2。图4为鲁棒预编码方法和传统预编码对应的BER曲线，传统方法与鲁棒方法的区别在于是否使用信道估计误差矩阵的二阶统计量。

图4 GMD-THP预编码传统方法与鲁棒方法误码率比较

第一，采用鲁棒的GMD-THP预编码算法的误码率比传统预编码算法的误码率要低，这是由于鲁棒方法考虑到信道估计误差所造成的额外干扰，并在最小化MSE过程中利用了信道误差的一、二阶统计量。同时我们还可以发现在信噪比较低时，鲁棒方法相对于传统算法优势并非十分明显，随着SNR的提高，鲁棒方法的优势逐渐体现出来，这是因为当SNR增大时，误差成为了影响系统性能的主要因素。

5 结束语

由于发射端获得的信道状态信息不可避免的存在误差，这样会出现信道估计误差。本文在非理想信道状态信息的假设下，将GMD技术与THP技术相结合，提出了一种具有鲁棒性的预编码方法。该方法在MMSE准则下，采用非理想信道模型，利用信道误差矩阵的二阶统计量和误差与信号正交的特性，推导出几何均值分解矩阵，进而可求出前馈矩阵、接收矩阵、加权矩阵及反馈矩阵。通过仿真实验可以看出，该方法与传统方法相比较，对于非理想的信道状态信息具有鲁棒性，获得了更好的性能。