（通信与信息系统专业论文）基于噪声消除技术的超宽带cmos低噪声放大器的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着无线通信技术的不断发展，人们对高性能大容量无线通信系统的需求 越来越大，希望其提供更高的数据传输速率、成本更低、功耗更小。在这样的 背景下，超宽带( u w b ) 技术引起了人们的重视，被视为下一代通信的关键技 术之一。因此，对u w b 系统的射频与通信集成电路的研究和设计具有重要的 现实意义。而低噪声放大器( l n a ) 作为无线接收机的第一级，其良好的性能是 实现正常通讯的重要保障，所以研究宽带c m o s 低噪声放大器意义重大。 低噪声放大器( l n a ) 是无线收发机前端的关键电路之一。由于是整个电路 系统的第一级，因此其增益，噪声，线性度等直接影响整个电路系统的性能。 同时，为了满足高可靠性和低成本的要求，电路需要高集成度，因此射频收发 机需要能够单片集成。 为了设计出一个性能优良，结构新颖的l n a 放大器，本文进行了如下几 项工作： ( 1 ) 首先对c m o s 工艺中的电感电容以及片上变压器进行了简单介绍， 对二端口网络噪声和级联系统的噪声进行了分析并给出了计算公式。然后介绍 了l n a 的基本原理和几种常见的基本结构和一种新近出现的拓扑结构一噪声 消除技术，并对这几种结构的特点作了比较分析； ( 2 ) 针对噪声消除结构仅应用于窄带l n a 、共栅级放大器具有高带宽但 噪声系数过高的局限性，本文将共栅级放大器作为l n a 的输入级，后端利用 噪声消除技术将输入级的噪声在输出端抵消，给出了一个利用共栅级放大器与 消噪技术相结合的级联拓扑结构，有效的拓展了带宽，还可以保持较低的噪声 系数； ( 3 ) 针对噪声消除结构增益过低的缺陷，提出了利用适用于宽带的改进 型电流复用技术，与自举片上变压器相结合，提高消噪结构的放大增益，使得 噪声消除结构有着高带宽，高增益，低噪声系数； 最后基于t s m c0 1 8 mr fc m o s 工艺，文中给出了一个l n a 的设计 实例，a d s 仿真结果表明，工作在3 1 1 0 6 g h z ，匹配特性s i l 、$ 2 2 均小于- 1 0 d b ， 增益为1 5 i d b ，噪声系数为在整个带宽内3 9 5 8 d b 。 关键词：噪声消除技术；电流复用；变压器；u w b ；l n a a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea n dt h eg r o w i n g d e m a n do ft h em a r k e t s ，b e t t e rp e r f o r m a n c eo fr a d i o - f r e q u e n c y ( r f ) w i r e l e s s r e c e i v e r si sr e q u e s t e dt oa c h i e v eh i g h e rd a t at r a n s f e rr a t e ，l o w e rc o s t ，l e s sp o w e r c o n s u m p t i o n i nt h i sc i r c u m s t a n c e ，u l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g yh a sc a u g h t p e o p l e sa t t e n t i o n ，a n di sr e g a r d e da so n e o ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fn e x t - g e n e r a t i o n c o m m u n i c a t i o n a sf i r s ts t a g eo ft h er e c e i v e r , l o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) d i r e c t l y a f f e c t st h er e c e i v e r sp e r f o r m a n c e t h e r e f o r ei tc a r r i e sm o s ti m p o r t a n c et or e s e a r c h l n a l o w n o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) i so n eo ft h ek e yc i r c u i t so ft h ew i r e l e s s t r a n s c e i v e rf r o n t e n d a st h ef i r s tl e v e lo ft h ew h o l ec i r c u i ts y s t e m ，i t sg a i n ，n o i s e ， l i n e a r i t y , e t c ，t h o s ep a r a m e t e r sa f f e c tt h ew h o l ec i r c u i ts y s t e mp e r f o r m a n c es t r o n g l y m e a n w h i l e ，i no r d e rt om e e tt h eh i g hr e l i a b i l i t yl o wc o s ta n dh i g h l yi n t e g r a t e d c i r c u i tr e q u i r e m e n t s ，t h ei 疆t r a n s c e i v e rn e e dt ob ea b l et ob ei n t e g r a t e do no n ec h i p i no r d e rt od e s i g nag o o dp e r f o r m a n c ea n dn e ws t r u c t u r el n a ，t h ep a p e r c o v e r e dt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) f i r s t l y , i tg i v e sab r i e f i n t r o d u c t i o no nt h eo n c h i pi n d u c t a n c ec a p a c i t o r si n c m o sp r o c e s sa n dt h eo n c h i pt r a n s f o r m e r s t h et w o p o r tn e t w o r ka n dt h ec a s c a d e s y s t e mn o i s ea r ea n a l y z e da n df o r m u l ao ft h e ma r eg i v e n t h e ni t i n t r o d u c e st h e b a s i cp r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r eo fl n a ，an e w l ye m e r g i n gt o p o l o g y t h en o i s e c a n c e l i n gt e c h n o l o g y t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e s et y p e so fs t r u c t u r e s a r ed e s c r i b e da n dc o m p a r e d ( 2 ) b e c a u s en o i s ec a n c e l i n gt e c h n o l o g yi so n l ya p p l i e dt on a r r o w - b a n dl n a ， ac o m m o ng a t e ( c g ) a m p l i f i e ri so f t e nw i t hh i g hb a n d w i d t hb u ta l s oh i g hn o i s e f i g u r e i nt e r m so ft h i sl i m i t a t i o n ，t h i sp a p e rp r e s e n tas t r u c t u r et h a tu s e st h ec g a m p l i f i e ra st h el n ai n p u ts t a g e ，a n dt h en o i s ec a n c e l l a t i o nt e c h n o l o g y i sa p p l i e da t t h eb a c kt oc a n c e lt h ei n p u ts t a g en o i s ea tt h eo u t p u ts t a g e i tg i v e ss t r u c t u r eo f c a s c a d et o p o l o g yw h i c hc o m b i n e sc ga m p l i f i e ra n dn o i s ec a n c e l i n gt e c h n o l o g ya n d h i te f f e c t i v e l yw i d e nt h ew i t hal o w e rn o i s ef i g u r e ( 3 ) f o rd e f i c i e n c i e st h a tt h eg a i no f t h en o i s ec a n c e l i n gs t r u c t u r ei st o ol o w , i t s u g g e s t s aw a yo fu s i n gb r o a d b a n di m p r o v e dc u r r e n t r e u s et e c h n o l o g y , a l l d c o m b i n i n go n c h i pt r a n s f o r m e r st oi m p r o v et h eg a i no fn o i s ec a n c e l i n g s t r u c t u r et o g i v ei tw i d eb a n d w i d t h ，h i g h - g a i n ，a n dl o w n o i s ef i g u r e f i n a l l y , t h el n a i sd e s i g n e di nt s m c0 18 1 x mr fc m o sp r o c e s s ，a n dt h e a d ss i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，i tw o r k si n3 1 - 10 6 g h z ，i nt h eo u t p u ti m p e d a n c e m a t c h i n gs i l & s 2 2 - 1 1 d b t h eg a i ni s1 5 1 d ba n d t h en o i s ef i g u r en fi s 3 9 5 8 d b k e yw o r d s ：n o i s e c a n c e l i n g ；c u r r e n t - r e u s e ；t r a n s f o r m e r s ；u w b ；l n a i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丑日期：经：型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着人们对生活质量要求的提高，越来越多的信息要求在人们之间沟通和 交流，因而对通信质量和数量都有了更高的要求。而无线通信是通信领域中最 具有活力、最具有发展前途的一种通信方式，它打破了一定要有全封闭式传输 线路的限制，将通信方式从采用固体介质专用线路的静态推广至开放灵活传输 的动态。就无线通信而言，如何提供高速、安全、廉价、易接入的网络将是很 长一段时间内的研究课题，各种无线网络就是在这种情况下发展起来，尤其是 基于某个特定区域内的无线移动通信正成为国际标准化组织、各个厂商和科研 机构开发的热点。 在短距离无线通信领域中，数字摄像机、数字电视机、数字照相机、m p 3 播放机、打印机、投影仪和笔记本电脑等便携式消费电器的高速互联是一个当 前研究的热点也是重点问题。为了更好解决该问题，无线个域网( w p a n ，即 w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) ，近年来得到了迅速的发展。尤其是针对消费 者图像和多媒体应用，i e e ew p a n 工作组制定了低功率低成本的短距离通信速 率为1 1 5 5 m b p s 的8 0 2 1 5 3 标准，还成立了8 0 2 1 5 3 a 研究组( s g 3 a ) ，目的 是寻求更高传输速率的物理层替代技术。目前研究领域方兴未艾的超宽带 ( u w b ，即u l t r aw i d e b a n d ) 技术是最有希望成为8 0 2 1 5 3 a 的p h y 标准，可 以提供高达5 0 0m b p s 的超高传输速率的一种新兴技术。 近几年来，超宽带短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视， 超宽带通信技术以其传输速率高、抗多径干扰能力强、传输功耗低等优点成为 短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。所谓超宽带，f c c 的定义 为任意相对带宽大于2 0 或带宽大于5 0 0 m h z ，并满足f c c 功率谱密度限制 要求的信号。这里的相对带宽( f r a c t i o n a lb a n d w i d t h ) 定义为( f n f l ) 【f h + f l ) 2 】，其中f h ，f l 为发射天线输出1 0 d b 辐射点所对应的高低端频剧引。 而快速增长的无线通信市场，使得对高性能、低功耗、低价格的接收机系 统的需求越来越大。在一个收发机的设计中，为了得到良好的总体系统性能， 武汉理工大学硕十学位论文 关键在于要有一个性能优越的前端，而其中的低噪声放大器是接收机前端的一 个十分重要的部分。在前端元件中，低噪声放大器( l n a ) 是第一级有源电路， 它所接收的信号是非常微弱的，当该信号幅度可与叠加在其上的内部噪声信号 幅度相比拟时，输出的有用的信号就会有很强的噪声背景甚至被噪声所淹没。 所以低噪声放大器对于设定整个系统的噪声系数是非常重要的，因为它的噪声 系数是直接加到整个系统的噪声系数中去的，而后续级的噪声系数可通过提高 前级的增益而减小，因此l n a 具有很低的噪声系数，对于系统的动态范围而 言是非常重要的，同时它还要能提供足够的增益来克服后续级( 例如混频级) 的噪声。此外还要有足够高的线性，以抑止干扰和防止灵敏度下降；端口匹配 良好，信号能够有效地传输。另外，还要满足有效隔离、防止信号泄漏以及稳 定性等方面的要求。特别对于u w b 系统，因为它的功率谱密度( p s d ) 非常 的低，如图1 1 所示，为了在如此低的功率谱密度下保持不失真的接收信号， 其前端电路的设计是非常重要的，而正如前面所述，在其前端电路中，第一个 也可能说是最重要的元件就是低噪放了。它要在整个宽带内提供5 0 q 的匹配阻 抗，而且要在整个7 5 0 0 m h z 的带宽满足足够大且平坦的功率增益。特别是它 的噪声系数要很低，从而提高整个接收系统的灵敏度，还需要最小化其电源电 压及功耗，以满足其移动的应用p j 。 鼍 露舶 譬 。 重 5 要 曩毒。 芒 l u 受 5 函 田 一7 0 一一 一一 一r i o e1 0 4 f r e q u e n c yi ng h 三 图1 1f c c 规定的室内u w b 发射功率限制 整个无线接收发射芯片前端系统可以分为两个部分：射频部分( r a d i o 2 武汉理工大学硕十学位论文 f r e q u e n c y ，r f ) 和基带部分( b a s eb a n d ) 。对于基带部分，其处理信号为数字 信号，工作频率较低，其成熟工艺为c m o s 工艺。对于射频部分，其处理信 号为模拟信号，工作频率较高，成熟工艺为g a a s ，但是由于g a a s 工艺与 c m o s 工艺不兼容。因为只有采用c m o s 工艺，才有可能实现接收机前端与 数字后端的单片集成，所以，随着无线通信的更进一步发展，及无线接收机的 小型化和低功耗、低价格的切实要求，基于c m o s 工艺的射频集成电路成为 目前十分热门的形式，推动着电路向单片集成发展。u w b 系统为了达到其高 传输数率、低功耗的目标，采用基于c m o s 工艺单芯片方案，是其接收芯片发 展的必由之路5 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 射频集成电路工艺 射频集成电路( i u i c ) 由于不同的应用，其工作频段从数十兆赫兹到上百 吉赫兹，性能和技术难度的差异是很大的。所以，为了满足不同频段，不同系 统下最高性价比的要求，出现了相适应的不同的制作工艺。目前常见的r f i c 制作工艺有硅双极( b i p o l a r ) 、砷化镓( g a a s ) 、s i 或s i g e b i c m o s 及c m o s ( c o m p e n s a t e dm e t a l o x i d e s i l i c o nf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r s ) 等多种技术【6 j 。 b i p o l a r 工艺具有模拟电路的速度优势和精度优势，早期i u 电路多采用该 工艺。但由于b i p o l a r 工艺功耗较大，不适合与数字电路大规模的集成，只适用 于射频系统单一的电路单元。g a a s 工艺具有极好的高频特性，有很高的隔离 度和极低的损耗，但其成本太高。不适合与模拟电路、数字电路进行系统集成。， 所以同b i p o l a r 一样，g a a s 工艺仅适用于制作功能单一的i 强电路模块，特别 是后端的射频功率放大器。s i g e b i c m o s 工艺是现今高性能的主流工艺， s i g e h b t 的截止频率高达3 0 0 g h z 以上，与c m o s 结合的s i g e b i c m o s 具有 双极和c m o s 的技术优势，可以在数十吉赫兹频率范围与g a a s 竞争。加上技 术的不断成熟，成本逐渐降低，使其在市场成为了代替的优选技术。但是从实 际工程的角度来看，它有三大缺点：一是价格高于c m o s ，二是工艺同样难以获 得，三是其中的工艺总是落后于标准工艺的发展进程，有时很难满足设计需要。 传统c m o s 工艺速度慢、截止频率低、噪声大和高损耗衬底的特点并不 武汉理工大学硕士学位论文 适合于r f i c 的制作。而且，利用c m o s 工艺制作工艺作为射频前端电路也存 在一些难度。比如随着工作频率的增加，器件噪声系数增加，衬底串扰严重， 高品质因子无源元件制作困难等，所以工艺用于r f i c 还面临严峻的技术挑战。 近几年来，随着工艺的性能不断提高，单片集成射频集成电路设计己经成为世界 上一些大公司，高校以及科研院所研究的热点。主要有以下几个方面的原因：( 1 ) 从表1 1 中可知，随着工艺进步以及特征尺寸的减小，深亚微米器件的特征频率 f = r 不断提高。对应于0 1 8 1 9 n 和0 2 5 1 m a 和0 3 5 9 m 工艺的特征频率弁分别为 4 9 g h z 、18 6 g h z 和13 5 g h z ，现有的特征尺寸在0 3 5 p r o 以下的深亚微米工艺 己经可以实现g b s 级别的芯片，最先进的工艺已经达到0 1 3 1 x m 的水平，因此用 c m o s 工艺设计射频芯片成为可能。并且随着工艺尺寸的继续减小，低成本的 c m o s 技术无疑是最有吸引力的。( 2 ) 同时c m o s 工艺相对其它工艺容易获得， 而且通过多项目晶圆m p w ( m u l t i p r o j e c t w a f e r ) 机构，高校、研究所和中小 型公司可以获得价格可以承受的工艺流片服务。( 3 ) 流片成本比其它工艺低、 工艺成熟、集成度高、功耗低等优点。尤其是集成度高的特点，有着b i p o l a r 工艺和g a a s 工艺无法比拟的优势。另外，工艺的大量改进也提高了c m o s 工 艺模拟电路的性能：不仅提高了有源期间的隔离度，且利用钛合金降低多晶硅 和n 型、p 型有源区的电阻率，降低引线电阻，还提高无源器件的品质因数等 等。 表格1 1m o s 器件缩小后主要参数变化 0 2 5 9 m0 1 8 9 m0 1 3 1 t m0 0 9 9 m v d d ( v ) 2 51 81 31 1 2 v t h ( v ) 0 4 60 4 20 3 4o 2 9 f r ( g h z )3 06 08 0 1 2 0 f m 双( g h z ) 4 08 01 2 01 5 0 g m ( m s g m ) 0 30 4o 61 o r o ( 1 - 岬) 1 2 96 72 46 g mr o 3 62 71 45 在c m o sr f i c 方面，近几年来，世界上各大半导体公司为了应对日益激 烈的竞争，纷纷投入巨资提升其设计和工艺水平，高性能的产品不断推出。国 4 武汉理工大学硕士学位论文 内由于设计和半导体制造工艺水品的限制，使其产品在可靠性、稳定性、参数 均匀性等长期落后于外国产品。目前，国外的r f i c 制造水平在0 1 8 9 m 和0 1 3 1 a m 工艺已经相当成熟，并已经向9 0 n m 和6 5 n m 方向发展，而国内还主要集中在 0 3 5 1 a m 、0 2 5 p m 工艺，只有很少单位掌握0 18 p m 和0 1 3 岬的制造工艺。学 术研究主要集中在清华大学、浙江大学极少数单位，其中，东南大学已经研制 出了s 波段的0 3 5 1 m a 的c m o s 工艺的2 0 4 g h z 的l n a 。 随着c m o s 器件尺寸的进一步减小，c m o s 技术在r f i c 领域的应用将 更加广泛。随着市场需求的进一步推进，体硅c m o s 技术在射频领域的应用除 了对低噪声、低成木、低功耗方面的优化以外，正逐步朝着更高频率和更宽频 带的方向发展1 7 】【8 】【9 】。 1 2 2 电路拓扑结构 从电路拓扑上看，目前宽带低噪声放大器主要有三种实现方式，分别是分 布式、电阻反馈形式和带通滤波器匹配方式。三种方式分别用不同的原理实现 宽带阻抗匹配和信号放大，所以在噪声、增益、功耗、面积等各个指标间有不 同的优缺点和折衷方案。 分布式宽带低噪声放大器的基本原理是“延时换带宽”，每条放大支路提供 一定的增益，在输出节点各条支路按统一的相位延时正向叠加，实现增益的成 倍增加。由于每条支路只需提供一个很小的增益，使得尺寸较小的管就能完成， 于是在每条支路的输入输出节点处只有很小的并联寄生电容，从而实现宽频带 的阻抗匹配。由于分布式放大器包含多条支路，使得它具有功耗大、面积大等 缺点，而这些缺点往往是现代射频系统难以接受的，这也是限制分布式宽带应 用的重要原因1 1 0 j i l l j 。 电阻负反馈是设计宽带低噪声放大器一种很常用的技术，它可以实现输入 输出阻抗在一个很宽频率范围内的匹配，与在低频模拟电路中负反馈的作用一 样，反馈电阻降低了对器件参数的依赖性，减小了失真，还扩展了3 d b 的带宽。 除了这些优点外，反馈结构的设计难度也比较适中，这使得该技术在设计宽带 时很有吸引力。但反馈电阻本身也是噪声源，它的引入会恶化低噪声放大器的 噪声性能。另外，反馈电阻除了提供反馈路径外也会造成信号的正向馈通，这 使得的隔离性能变差，从而带来稳定性问题。有新的研究在解决这方面的问题， 如文献中【1 2 】【1 3 】【14 1 ，用有源器件代替反馈电阻，消除反馈电阻的部分不利因素， 武汉理工大学硕士学位论文 以提高宽带的综合性能。 用带通滤波器匹配的宽带是近年来研究得最多的一种结构，它是将巴特沃 斯、切比雪夫等滤波器应用在传统的带源极负反馈电感的结构的输入端，以实 现一定频带范围内的信号放大和阻抗匹配。与其它两种方式相比，这种结构的功 耗适中，没有多余的噪声源，并且隔离性和稳定性良好。除了上述两种经典滤 波器外，也出现了一些新颖的滤波器结构，能够在某些特定频率、特定带宽下 获得更好的性能。但是，带通滤波器宽带都存在带宽与噪声系数之间的折衷， 这也是设计该结构所要面对的重要技术难点【1 4 】【1 5 】。 国际上对上述三种宽带都有广泛的研究，表1 2 给出了反映国际先进水平 的研究成果。可以看出，目前大多采用o 1 8 9 m 的工艺线宽，并有向0 1 3 i a m 发 展的趋向。工作频率主要集中在3 1 0 g h z 之间，其它频段也有少量涉足。从噪 声、增益、功耗等性能来看，主流c m o s 工艺实现的l n a 宽带已经达到了现 阶段大部分近距离无线接收机的性能要求，但应用于远距离，微弱信号通讯还 有一定的困难。 表格1 - 2 现今主流l n a 研究成果 g a i nb wn f s l l a r e a p o w e r r e f t h e o l o g y ( m m 2 )( m w )( d b )( g h z )( d b )( d b ) 【4 5 】 o 13 - i - t m c m o s 1 1 2 9 6 3 6 4 8 9 5 o 1 71 9 【4 7 】 0 18 - g m c m o s9 71 2 1 1 94 5 5 1 1 1o 5 92 0 【5 0 】 0 0 9 - i t m c m o s 1 0 62 5 - 4 04 o 5 4 - 1 00 21 6 【5 1 】 o