高增益低噪声放大器LNA的设计VIP

本 科 生 毕 业 设 计 论 文 高增益低噪声放大器（LNA）的设计院 系 专业班级 姓 名 学 号 指导教师 2017 年 1 月 13 日华 中 科 技 大 学 IC 课程设 计（论 文）学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 2017 年 1 月 13 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 2017 年 1 月 13 日导师签名： 2017 年 1 月 13 日华 中 科 技 大 学 IC 课程设 计（论 文）摘 要低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）作为整个射频接收系统第一级，直接影响着整个系统的性能。它的主要功能就是将从天线接收到的微弱信号进行放大，同时将其输出给后级的混频器，在这个过程中 LNA 引入信号中的噪声非常低，对信号进行初步的降噪处理，如果信号在通过 LNA 时引入的噪声较大或者没有将信号放大，那么其后的射频模块将无法对有用信号进行处理。所以应用中的低噪声放大器必须具有最佳的噪声系数（NF） ，具有良好的线性度且对信号有一定的放大功能。基于以上的研究背景，本文设计了一款高增益宽带低噪声放大器，详细的介绍了它的设计过程。文章首先对宽带低噪声放大器进行了简单介绍，包括它的研究背景及国内外发展现状，接着介绍了在设计低噪声放大器中我们要注意的几个主要的参数，包括噪声、功率增益、输入匹配、线性度和 S 参数。最后详细的介绍了我们的电路设计过程，包括一级和二级电路的选择以及其中一些工艺参数的设计，并给出了仿真结果，供大家分析和讨论。电路实现采用了 TSMC 0.18m CMOS 工艺，设计了一个 200M2GHz 的高增益宽带低噪声放大器（LNA） ，根据题目要求，最终可以实现在工作电压为 1.8V，工作电流小于 16mA 的条件下，噪声系数小于等于 3.5Db,功率增益为 15dB 到 20dB，IIP3 大于-15dBm,单端输入阻抗达到 50，基本上满足了题目的要求。关键词：宽带 低噪声放大器 噪声系数 功率增益华 中 科 技 大 学 IC 课程设 计（论 文）AbstractLow-noise amplifier (LNA), as the first stage of the RF receiving system, directly affects the performance of the whole system. Its main function is to receive from the antenna to the weak signal amplification, while its output to the mixer after the class. In this process, the noise in the LNA-introduced signal is very low and the signal is subjected to a preliminary noise reduction process. If the noise introduced by the LNA is large or the signal is not amplified, the subsequent RF module will not be able to detect the useful signal . Therefore, the application of low noise amplifier must have the best noise figure (NF), with good linearity and the signal has a certain amplification. Based on the above research background, this paper designs a high-gain broadband low-noise amplifier, and introduces its design process in detail. In this paper, we briefly introduce the broadband low noise amplifier, including its background and development at home and abroad. Then we introduce several main parameters in the design of low noise amplifier, including noise, power gain, input matching , Linearity and S-parameters. Finally, the circuit design process is introduced in detail, including the choice of primary and secondary circuits and the design of some of the process parameters, and gives the simulation results for analysis and discussion.A 200MHz 2GHz high gain wideband low noise amplifier (LNA) is designed by TSMC 0.18 CMOS technology. According to the requirements, the noise figure can be achieved under the condition of 1.8V and 16mA working current. Less than or equal to 3.5Db, power gain of 15dB to 20dB, IIP3 greater than-15dBm, single-ended input impedance of 50, basically meet the requirements of the subject.Keywords: wide band Low noise amplifier NF gain华 中 科 技 大 学 IC 课程设 计（论 文）目录摘 要 .3关键词： .3Abstract .4Keywords: .4第一章 绪论 .61.1 课题背景及意义 .61.1.1 低噪声放大器的重要性 .61.1.2 宽带高增益低噪声放大器的意义 .61.2 国内外研究现状及发展趋势 .81.3 论文主要工作 .9第二章 LNA 的主要性能指标 .112.1 增益 .112.2 噪声 .122.3 动态范围和线性度 .152.4 输入阻抗匹配 .17第三章 LNA 电路设计 .183.1 输入级的设计 .193.1.1 输入阻抗匹配分析 .193.1.2 噪声分析 .213.2 输出级的设计 .24第四章 结论 .26致谢 .31参考文献 .32附录 .33华 中 科 技 大 学 IC 课程设 计（论 文）第一章 绪论1.1 课题背景及意义1.1.1 低噪声放大器的重要性低噪声放大器是射频接受前端的主要组成部分，它位于接受前段的第一级，直接与天线信号相连。由于其位于接受前段第一级，所以低噪声放大器在提供一定增益，对信号进行放大的同时，需要尽可能避免引入噪声，还需要具有很好的线性度。现代无线接收机要求具有非常灵敏的电路，接收机的动态范围和灵敏度很大程度上都取决于低噪声放大器的噪声性能和线性度。如低噪声放大器噪声系数增大 0.5dB，就可能对整个接收机的链路产生很大的影响。下图是射频接收机的简单的结构示意图，天线接收到的信号通过滤波器后 LNA 放大，再被混频器转换到基带，解调完成后，信号输入到模拟数字信号转换器，将模拟信号转换为数字信号，最后数字信号输入到数字信号处理器中。从图中可见，信号的第一级放大由 LNA 完成，因此， LNA 的特性决定整个接收机的性能，它对提高信息传输质量、改善接收机的噪声、增大传输距离和改善接收机的灵敏度都有着重要的作用。图 1-1：射频接收机的简单结构图华 中 科 技 大 学 IC 课程设 计（论 文）1.1.2 宽带高增益低噪声放大器的意义随着光纤通信、移动通信、卫星通信、电子对抗、微波测量仪器、各种无线局域网等领域向着低成本、小型化、宽频带、低噪声、更高的工作频段等方向发展，对各自的射频收发模块提出了各种新的要求。其中高频、宽带宽通讯是一个重要的发展方向。首先，电子侦察是未来信息战的序幕和先导，并贯穿于信息战的全过程。随着电子对抗技术的不断发展，用于现代电子战中的电子设备如跳频通信、宽带干扰机的频带越来越宽，这就迫切要求研制出宽频带电子侦察接收机，以满足未来战争中电子对抗之需要。其次，随着计算机网络和全球移动通信的发展，包括笔记本电脑、PDA、计算机外设、移动电话和家用电子产品等便携的数字处理设备已经成为人们日常生活和办公的必需品。以前这些设备大多依赖电缆连接，使用不便。实现设备之间可移动、自动互联的无线个人网络技术 WPAN 呼之欲出。为此 IEEE802.15.3 标准应运而生，并已将 3.15GHz 和 610.6GHz 频段作为 WPAN 的工作频段，特别是 3.15GHz 是现阶段发展的热点。再次，用于卫星通信、电视转播、数据与图像传输领域的现有射频接收机的性能已经远远不能满足用户高数据量、宽频带的需求，技术升级势在必行。另外，随着数码时代的逐步推进，一机多用将为人们带来极大的便利。比如，要求移动通信设备不仅能接收不同系统不同频段的信号，而且还能接入到蓝牙、WLAN 或 WPAN 系统。用传统的多个窄带射频收发机并联的方式固然可以实现上述应用，但也使成本线性增长。而宽带射频单元却可以在不增加芯片面积和功耗的前提下，实现较宽频段内的信号全接收，具有极高的性价比。可见，宽带通讯确实是当今无线通讯技术的一个重要发展方向。而低噪声放大器(LNA)作为射频接收机的第一级，其性能的好坏直接影响了整个接收系统的性能。所以，对宽带 LNA 的研究得到了越来越广泛的重视。华 中 科 技 大 学 IC 课程设 计（论 文）1.2 国内外研究现状及发展趋势关于高增益宽频低噪声放大器（LNA） ，国内外做了大量研究。随着 CMOS 工艺水平的不断提高，设计方法的不断进步，CMOS 射频低噪声放大器的性能越来越高。当然，现代无线通信系统对 LNA 的要求也越来越高，这必然也推动着人们不断去研究探索出新的性能更完善的 LNA 。国外在 CMOS 射频集成电路方面己经取得了很大的突破。很多知名的公司、大学和研究所已经用 CMOS 工艺实现了低噪声放大器、压控振荡器、混频器甚至是整个收发器。进行 RFIC 前端单片 LNA 研制的国外公司主要有: Sirenza、M/A COM、 SiGe 、 Minicircuit 和 Aglient 等。国外一些公司如 Maxim 已经推出了应用十802.11a/b/g WLAN 方面的集成 LNA，频率达到 5 6GHz，其优点是其体积小，便十集成。Chan R.等人采用 IBM 7HP 硅 CMOS 工艺制作的宽带 LNA，带宽达到了0.522GHz，其最大噪声系数为 5.5dB,增益平坦度为0.7dB，功率增益为 15dB。国外以美国 Sirenza 微波器件公司为例，其 LNA 产品包含 10 余个产品系列，各个产品系列采用不同的半导体工艺制作(Site, InGaP, GaAs 以及 PHEMT 等工艺)和不同的晶体管形式(BJT,HBT 或 FET)，但产品水平大致相当。国内的射频电路研究工作开展的比较晚，水平也相对较低，而且大多采用的是GaAs 工艺，采用 CMOS 工艺实现射频集成的研究工作只是在近些年才在一些高校和研究所中开展起来，进行先进 CMOS 工艺单片 LNA 设计研究的国内研究单位主要有中国电子科技集团公司第 24 所、55 所、13 所、航天 771 所、中科院微电子研究所以及清华微电子研究所等。13 所研制出的 JDF025 型低噪声放大器具有 1.518GHz 的带宽，噪声系数6dB,增益大于 30dB。近年来，24 所采用台面硅锗 HBT 工艺，已研制出带宽从直流 DC 到 SOOM4GHz 不等，增益为 2035dB 内的大动态范围的宽带低噪声放大器产品，产品的性能已经处于国内领先水平。到目前为止，射频前端 CMO S 射频电路设计技术尚处于研究发展阶段，还没有实现大规模的产业化。一些基础理论的研究还不成熟，设计模型也不如其它工艺精华 中 科 技 大 学 IC 课程设 计（论 文）确完整。然而随着研究的不断深入，CMOS RFIC 的应用还是得到了肯定，而且 CMOS射频电路的应用前景十分广泛，典型的应用包括移动通讯、无线局域网、蓝牙系统、卫星通讯、定位、雷达系统以及航天测控等。一些新式的应用，如目前流行的智能家居、低功耗医疗产品和未来希望实现的可穿戴计算等，也正在研究中。这些应用都需要各自不同的无线收发系统，为此还出现了各类新的通讯防议，一些非标准通讯协议的射频 IC 也大行其道。目前已经实现的设计，其所应用的范围不过是其中的一小部分。因此，可以预计 CMOS 射频技术有很好的市场前景。从以上宽带 CMOS LNA的研究现状和应用前景来看，国内外对它的深入研究还将持续下去，其发展趋势将主要集中在以下几个方向：1） 发展新的拓频结构。现存的许多宽带结构存在一系列不良因素，如噪声大、增益低、功耗大、增益不平坦等。寻求新的拓频方式，以达到更优的性能。 2） 频带向更宽的方向发展。更宽的带宽意味着更广泛的应用范围和更高的性价比，所以在 LNA 增益、NF、功耗、线性度等各项指标达到要求的前提下，总是希望放大器带宽越大越好。3） 应用频率不断提高。随着 CMOS 器件特征尺寸的进一步减小，截止频率随之提高，CMOS 将