（微电子学与固体电子学专业论文）折叠共源共栅低噪声放大器设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，无线通讯和c m o s 工艺得到了很大发展，射频集成电路逐渐采 用c m o s 工艺实现。通信系统前端电路尤其是l n a 必须具有低的噪声系数 和高线性度，在低功耗的条件下实现这些要求是射频通信系统关键技术之 一。低噪声放大器是整个接收系统的第一级，因此其增益、噪声、线性度等 直接影响整个电路系统的性能。为了实现高可靠性和低成本的要求，电路需 要更高集成度，因此射频收发机需要能够单片集成。 移动通信系统中，接收机的性能常常受到供电电压的影响。因此本文采 用了折叠共源共栅结构，可以在很低的电压下正常工作，并拥有较好的性能。 在传统折叠共源共栅低噪声放大器中，两级之间采用直接相连的方式传递信 号。由于共源输出阻抗和共栅输入阻抗很难直接达到匹配，这就使得信号在 传递过程中被反射。基于这一考虑，本文详细分析了共源级栅漏电容的影响、 共源级输出阻抗和共栅输入阻抗，并提出了p a i 型级间匹配的设计方案，此 优化结构能实现两级之间的共扼匹配，使信号的正向传输最大化，从而增大 信噪比降低噪声。同时，带级间匹配的l n a 一定程度上解除了各项参数的 钳制，使得优化过程更加简单方便。 本文采用0 1 8 微米c m o s 工艺，设计了一种低电压折叠共源共栅低噪 声放大器。电源电压为1 v 。在工作频率2 4 5 g h z 时仿真结果显示：噪声系 数为1 0 8 7 d b ，增益为2 2 5 3 5 d b ，一分贝压缩点为1 1 7 4 6 。功耗为1 0 m w 。 关键词：c m o s ；共源共栅；噪声系数；匹配； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t 缈动t h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h en e e d sf o r h i p e r f o r m a n c ea n dl a r g ec a p a b i l i t yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r eg r e a t l y e m a 增e d ，t h ed e m a n df o rr a d i of r e q u e n c ya n dc o m m u n i c a t i o ni cb e c o m eh i e ；1 1 e r a n dh i g h e r t h u s ，i tb r i n g sl o t so f p m e t i c a lv a l u et or e s e a r c ha n dd e s i g nr fr e c e i v e r c i r c u t l o wn o i s ea m p l i f i e ri sak e yc o m p o n e n ti nt h ef r o n t - e n do fr ft r a n s c e i v e r a st h ef i r s ts t a g eo ft h es y s t e m , i t sg a i n , n o i s ef i g u r ea n dl i n e a r i t yd i r e c t l yt a k e e f f e c t so nt h ew h o l ec i r c u i u i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g hp e r f o r m a n c e a n dl o wc o s t , i 强t r a n s c e i v e rn e e d saf u l l yi n t e g r a t i o n i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , p o w e r s u p p l yv o l t a g eh a v ead e l e t e r i o u se f f e c to n t h er e c e i v e rp e r f o r m a n c e af o l d e dc a s c o d es t r u c t u r ei si n l r o d u c e di nt h i sp a p e r i t c a nw o r ki nv e r yl o wv o l t a g e ，a n di th a sh i g h l yp e r f o r m a n c e i nt h et r a d i t i o n a l f o l d e dc a s c o d e 姒t h ed i r e c tc o n t a c ta r c h i t e c t u r ei sb e i l 】gu s e c l t h eo u t p m i m p e a a n c eo fc o m m o n - s o u r c ea m p l i f i e ri sn o te q u a lt ot h ei n p u ti m p e d a n c eo f c o m m o n - g a t ea m p l i f e r t h es i 咎1 a li sr e f l e c t e dm 而n gw a n s m i s s i o n f o rt h i sm a s o n , t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h eo u t p u ti m p e d a n c eo fc o m m o n - s o u l v ，ea m p l i f i e ra n dt h e i n p u ti m p e d a n c eo fc o m m o n - g a t ea m p l i f e r as t a g em a t c h i n gs c h e m ei sb e i n gp u t f o r w a r di nt h i s 详i p 既t h em a t c hc i r c u i tf a v o r e dt h es i g n a lt r a n s m i s s i o n , h o w e v e r t h es n ri sp r o m o t e d , a n dt h en o i s ef a c t o ri sr e d u c e d a tt h es a m et i m e , t os o m e e x t e n t , t h em a t c hc i r c u i th a sr e d u c e dt h ei n t e r s u p p r e s so f m a n yp a r a m e t e r a l o w - v o l t a g ef o l d e dc a s c o d el o w n o i s ea m p l i f i e ra v a i l a b l et ob l u e t o o t h ，b a s e d o n0 18 u r nc m o st e c h n o l o g yi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c hc a l la c h i e v e c o n j u g a t em a t c h o f t w os t a g e s , t h es u p p l yv o l t a g ei s1 v , a t2 4 5 g h z , t h i sa m p li f i e r p r o v i d e saf o r w a r dg a i no f2 2 5 3 5 d bw i t han o i s ef i g u r eo fo n l y1 0 8 7 d b 1d b c o m p r e s s i o np o 缸i s - l1 7 4 6 d b m t h ep o w e rc o n s u m p t i o n i s10 r o w k e y w o r d s ：c m o s ；c a s c o d e ；n o i s ef i g u r e ；m a t c h i n g ； 西南交通大学 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留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关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。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名1 均1 曩虿 指导老师签名： 日期：) 但奄7 7 日期： | 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 针对折叠共源共栅低噪声放大器两级之间不匹配，和各项性能参数之间 相互钳制的问题，为了实现信号的最大化传输，对传统折叠共源共栅低噪声 放大器进行了优化设计。提出了一种带p a i 型级间匹配网络的c m o s 折叠共 源共栅低噪声放大器的设计思路。理论分析和仿真结果表明：改进后的低噪 声放大器噪声系数有所降低，同时，各个参数之间的相互钳制较小。更利于 各参数的同时优化。 学位论文作者签名：1 婚劈孑 日期：1 。7 t 7 f 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来由于科技的快速发展，使得无线通信向多元化发展，而且因为人 们对网络及移动数据的需求越来越高，使w l a n 快速走入企业、学校及家 庭并且进一步发展到随时随地都可以上网。目前市场上无线局域网的标准很 多，有：蓝牙技术、i e e e 8 0 2 1la ( t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ) 、i e e e 8 0 2 1 l ( b g ) 等等t 1 1 。i e e e 8 0 2 1 l b 是在1 9 9 9 年由i e e e 制定 的，由于其传输速率提升到l l m b p s ，已经可以与传统的以太网相比美了。 并且在产品速度及价格日益合理的情况下，市场需求量急剧增加，使无线局 域网市场呈现一片繁荣景象。虽然无线局域网在市场上标准众多，不过目前 市场上的主流还是以8 0 2 1 l b 为主。但事实上无线局域网是个新兴产业， 8 0 2 1 l b 也只能够说是这一产业发展初期的一项标准，由于它的传输速率只有 11 m b p s 2 1 ，在未来相关的市场成熟后将无法满足企业、家庭、工厂的使用要 求。因而更高速率的无线局域网标准8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g 在未来的发展上将会 受到注目。 i e e e 8 0 2 11b 以直序展频( d s s s ：d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 作为 调制技术，采用2 4 g h zi s m 频段。i e e e 8 0 2 1la 由于传输速率可高达5 4 m b p s ， 将可使用在更多的应用中，因此被视为下一代的高速无线局域网规范， 8 0 2 1 l a 选择具有降低多重路径衰减与有效使用频率的正交码分频多工 ( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 作为调制技术，并选择 了干扰较少的5 g h z 频段【3 】o 由于i e e e 8 0 2 1l a 与8 0 2 1l b 规范的频段和调制 方式都不相同，使得彼此不能够相容。已经拥有8 0 2 1 lb 的产品的消费者也 许不会在8 0 2 1 la 设备问世后立即购买，而8 0 2 1 lg 就是为这段过渡时间发 展的规范。它建立在既有的i e e e 8 0 2 1 1b 实体层标准的基础上，选择2 4 g h z 频段1 4 1 ，具有5 4 m b p s 的高传输速率( 采用o f d m 调制技术) ，让已拥有8 0 2 1 1 b 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 产品的消费者能达到一定的速率升级。 随着这些无线通信系统的不断发展，对通信系统的硬件要求也不断提 高。其中，接收机的设计一直是一个难点。影响接收机性能的主要部分是接 收机的最前端电路低噪声放大器。传统的低噪声放大器采用分离原件实 现，成本低，易于测试调节。但随着近年来集成电路的发展，要求接收机也 能集成在单片芯片中，而g a a s 和双极型工艺不利于与数字模拟电路的大规 模集成，因此，基于c m o s 工艺的射频电路不断受到人们的关注。如今， c m o s 低噪声放大器已成为了射频电路设计中的一个热点。 1 2 国内外研究现状 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 制造水平已经向9 0 n m 和6 5 n m 方向发展 5 1 ，而国内还主要集中在0 3 5 u r n 、0 2 5 u m 工艺，只有很少 单位掌握0 1 8 u r n 和0 1 3 u m 的制造工艺。 表1 - i 近几年对c m o sl n a 的研究现状 参考文频率 n fg a i np 1 d b 功耗s 工 时间 献( g h z )( d b ) ( d b ) ( d b m )( m w )艺( u r n ) 6 2 0 0 32 4 4 6 1 8n3 60 1 8 7 2 0 0 5 2 4 52 6 72 21 31 1 6 7 5 o 1 8 8 2 0 0 50 81 3 22 3- 1 4no 1 8 9 2 0 0 82 41 3 51 7n1 60 2 5 1 0 2 0 0 82 4 50 8 0 21 6- 1 5 6 8o 3 5 i v 2 0 0 81 5 81 37 21 63 4 20 1 8 1 2 2 0 0 81 50 9 62 1n2 00 2 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 随着c m 0 s 器件尺寸的进一步减小和随着市场需求的进一步推进，c m o s 技术在射频领域的应用除了对低噪声、低成本、低功耗方面的优化以外，正 逐步朝着更高频率、更宽频和更低电压方向发展。表卜1 是进几年来一些设 计的研究现状和参数对比。 从表1 - 1 可以看出，近年来c m o s 低噪声放大器的研究取得了一定的进展， 但也仍然存在一些问题。如文献 6 中的功耗和噪声系数有些过高，文献 1 0 虽然取得了很低的噪声系数，但增益却是有限的，不能很好的抑制后面各级 的噪声系数。而文献 1 2 中噪声系数和增益都很好，却是以功耗为代价换来 的的。因此，低噪声放大器在很多方面的性能都有待我们去优化。 首先，低噪声放大器的噪声系数要求越小越好。更小噪声系数才可以制 造出更高灵敏度的接收机。而目前大多数c m o s 低噪声放大器的噪声系数仿 真值都在1 2 d b _ 2 o d b 左右。但实际制造出来的l n a 噪声系数会比这个值 高一些，所以，噪声系数的优化一直是低噪声放大器研究的重点。 第二，c m o s 共源共栅结构是目前低噪声放大器设计热点之一。传统的 共源共栅结构存在一些缺陷，比如各项参数的相互钳制，隔离性能差等。这 些都是我们需要进一步优化的方向。 第三，降低l n a 的功耗是设计中的一个重要问题。在无线移动系统中， 电源供应大多来自于电池，某些应用甚至没有自带电源。电池使用时间是重 要的性能指标之一。要延长电池的使用时间，就必须降低电路的功耗。l n a 的功耗在射频接收机前端中占有相当大的比重，降低其功耗对降低整个系统 的功耗有着重要意义。在保证系统性能的前提下，如何减少l n a 的功耗依 然是一个尚未完全解决的问题。 1 3 本文所做的工作及各章的安排 文中首先对接收机的常见结构进行了介绍，并分析了低噪声放大器对接 收机性能的影响。然后介绍了低噪声放大器的几种常见结构和一种新出现的 拓扑结构，并对这几种结构的优缺点作了阐述和比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 最后对传统折叠共源共栅低噪声放大器进行了分析，计算级间的输入输 出电阻，并使用p a l 型网络进行级间匹配。从而使得放大器的增益和噪声系 数得到优化，并对所设计放大器进行仿真分析。 本论文共分为五章，主要类容概述如下： 第一章：阐述了本课题的背景和意义，简要的说明了论文所解决的问题 和其创新之处，规划了论文的组织结构。 第二章：基于接收机的性能很大程度上受低噪声放大器的影响，分析了 接收机的几种典型结构。比较几种典型的c m o s 低噪声放大器结构，并说明 他们的优缺点。 第三章：对传统的折叠低噪声放大器进行级间匹配。并对匹配后的折叠 低噪声放大器进行噪声系数、输入匹配、输出匹配、线性度和稳定性等性能 进行分析和优化设计。 第四章：运用a d s 2 0 0 3 c 对改进的低噪声放大器进行仿真，给出仿真图。 并对仿真结构进行分析。 第五章：总结本论文的设计，为未来的工作提出预期展望 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章低噪声放大器与接收机 随着无线通讯技术的发展，使人们对高性能、低功耗、低价格的接收机 系统的需求越来越迫切。在一个接收机的设计中，为了得到良好的总体系统 性能，关键在于要有一个| 生能优越的接收机前端电蹭1 3 】，其中低噪声放大器 是接收机前端的一个非常重要的部分。在前端电路中，低噪声放大器( in 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 参杂甚至有可能被噪声所淹没。所以低噪声放大器对于设计整个系统的噪声 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，后续级的噪声系数可通过提高前级的增益而受到抑制，因此l n a 应具 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的噪声【1 4 1 ；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。因此，一个的接收 机性能的优劣很大程度上取决于低噪声放大器的性能 2 1 收发机结构 一个完整的通信单片系统包括r f 前端和基带处理部分，r f 前端又叫收 发器，它决定着整个通信系统的基本性能指标，如误码率，发射功率，信道 的抗干扰能力等【1 5 1 。而低噪声放大器( l n a ) 又是整个i 江前端的最前端， 它直接感应天线接收到的微弱的r f 信号，并对其放大，然后传递给后级进 行处理，是整个接收通道最关键的模块。下面，将对无线通信接收机进行简 单的分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 1 1 收发器结构 无线通信系统中的收发器芯片必须实现接收和发送数据的功能，因而， 一个收发器系统常常可划分成接收与发送两个通道。依据接收通道中混频器 的降频方式阚，收发机的体系结构主要有以下三种： 图2 1 零中频方案接收机 图2 1 所示的结构常见于宽带c d m a 系统的模拟前端电跗1 7 1 【1 羽。天线 接收到的射频信号经过滤、放大后由混频器沿i 、q 两信号通道直接降至基 带频率，i 、q 两基带信号分量再经放大、低通滤波，由模数转换电路转变 成数- 7 - 4 言号。直接降频结构的优点是结构简单，便于单片集成，且非常适合 于f s k 调制的接收器。由于这种结构是把射频信号直接降至基带信号，一个 无可避免的问题是直流失调【嘲。与w c d m a 中的f s k 调制不同，采用g f s k 调制方式的接收机信号能量主要集中于零中频的频段上，这样直流失调与闪 烁噪声会很大程度地恶化接收通道的性台岜硎j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 图2 2 超外差接收机 图2 2 所示的是一种典型的超外差接收通道的体系结构，又可称做高中 频结构。这种结构将信号频率保持在较高的频率，如5 0 m h z - - - 2 0 0 m h z 睇， 直流失调与闪烁噪声的影响就很小，可以不考虑，但是，镜像抑制滤波器及 频段选择滤波器的中心频率很高，一般采用片外元件实现，这就不利于单片 集成，而且，驱动片外低阻抗的滤波器会增大接收通道的电流消耗。 图2 - 3 低中频接收机 图2 3 所示的也是最常用的收发器结构之一，即混频器将射频信号向下 混频到2 m h z 这一中间频率，经带通滤波、放大整形后，解调成基带信号。 选择2 m h z 作为中间频率，一方面可以抑制直流失调与闪烁噪声，另一方面 又能将带通滤波器集成于芯片上圈，该结构在芯片性能、功耗与集成度之间 提供了一个很好的折衷方案。 上述的三种接收机是目前通讯系统中应用较多的。在性能参数上都各有 优劣，首先，对低噪声放大器本身引入的噪声系数当然越低越好，其次各种 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 接收机对低噪声放大器的其他要求各有不同。在零中频方案中，由于本接收 机结构简单，高频部分引入的噪声系数相对较少，而且低频的放大器比高频 放大器更容易实现。因此，零中频方案中的增益主要放在低频部分。低噪声 放大器的增益设计一般只要能有效遏制混频器的噪声就可以了。超外差接收 机和低中频接收机较为相似，系统复杂，后续电路引入的噪声系数也多。因 此，超外差接收机中应用的低噪声放大器要求有较高的增益，以抑制后面各 级的噪声系数。当然，也不能过多提高增益，这样会使后面的混频器、中频 放大器等进入饱和状态。下面我们将对接收机的性能参数做出分析。 2 1 2 接收机的性能与低噪声放大器 作为收发机的一个重要通道，接收机必须能选择合适的频段，把射频信 号合理放大，将信号频率降至低中频，然后对信号进行解调并在足够的信噪 比的情况下将解调信号送到基带信号处理器中，实现数字检测。用来衡量接 收器性能优劣的参数有灵敏度，噪声系数，线性度，动态范围等。 灵敏度是对接收机对弱信号放大、解调能力的衡量，通常用天线处最小 可检信号( m d s ) 来表示【乃1 ，这个m d s 应该能在解调器的输出端产生一个可 接受的信噪比。m d s 可用式( 2 1 ) 进行计算： m d s 一1 7 4 d b m h z + n f + 1 0 l o g b w + s n p s m( 2 - 1 ) 其中17 4 d b m h z 是2 9 0 k 时的热噪声。n f 是接收器中解调模块之前的 各电路模块的级联噪声系数，以d b 表示。b w 是用于解调器信噪比计算的 有效噪声带爿冽。s n r 证则是解调器为保持一定的精度所需的最小信噪比， 常以误码率( b e r ) 表示( 如蓝牙中的接收器中，m d s 不可大于7 0 d b m t 凋) 。 噪声系数由噪声级联公式( 2 - 2 ) 可以看出，接收器中解调模块之前的级 联噪声n f 决定着接收通道的灵敏度，n f 越小，接收器能检测更弱的信号， 即越灵敏。若m d s 的值为7 0 d b m ，噪声带宽b w 为1 m h z ，；。为1 8 d b ， 那么，根据噪声级联公式可得到此情形下级联噪声n f 的大小为2 6 d b 。在实 际情况中，一些非理想因素，如低噪声放大器的增益下降，会对接收器的灵 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 敏度造成影响，因此必须为级联噪声系数n f 留出一定的余磬6 】。在由多个 模块级联而成的系统中，在不考虑级间阻抗匹配的情况下，级联噪声因子为 【2 7 】： ，：f + 型+ 盟+ + 墨二!( 2 2 ) 1 g lg l g 2g l g 2 q 、 式( 2 2 ) 中的c 是每一级模块的噪声因子，g 。是每一级的功率增益。 公式表明级联系统的总噪声主要决定于其第一级电路模块的噪声性能和增 益。而接收机的第一级是低噪声放大器。因此，为了得到更小的整体噪声系 数，必须保证低噪声放大器有较小的噪声系数和合适的增益网。 线性度也是接收机的个主要性能参数，当接收器检测一个弱信号时， 如果附近存在其他用户发出的较强的信号，这个相对强的信号就会使接收器 的工作范围进入非线性区，产生新的频段的信号，从而将希望被接收器检测 到的弱信号淹没，干扰正常的通讯1 2 9 1 ，因此，接收器的线性度也是一个重要 的指标参数，线性度越高说明抗干扰能力越强。 任何线性系统都有一定程度的非线性，当输入信号的幅度较小时，系统 能将该输入信号线性放大，当输入信号的幅度不断增大，使系统进入了非线 性区，由于三次失真的存在，增益会下降，增益降低l d b 时对应的输入信号 的幅度称为l d b 压制点墨扭，暑曲越大表明系统的线性度越好。另一个重要 的衡量参数是三阶截取点i p 3 或p 3 。如图2 4 所示，当两个频率相近( 、 劬) 的信号进入一个具有一定非线性度的系统，会输出两个与输入信号频率 非常接近的分量2 q o ) 2n 2 c 0 2 一q ，又称作三阶交调信号，当三阶交调信号 的幅度等于基波信号的幅度时，对应的输入信号幅度被定义为i i p 3 。对于接 收器这样的由多个电路模块级联而成的系统，总的1 i p 3 可通过下面式( 2 3 ) 计算得到： 11 1 i i p 3 ( d b ) - 1 0 1 0 9 亩+ 赢裔+ 丽1 】( 2 - 3 ) 其中, r i g ，是第i 级电路的三阶交调，q 是第i 级电路的增益。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ljl 1 非线i 生系射卜 劬鳓一 2 q 一q 鳓一2 呜一q 图2 4 非线性系统的三阶交调 3 d b 屏蔽点也是一个衡量系统线性度的参数。很强的干扰信号与弱的有 用信号一同进入检测电路，当该干扰信号的幅度大到电路对有用信号的增益 下降3 d b ，此时的干扰信号的幅度被称为3 d b 屏蔽点。基于接收机对线性 度的要求，低噪声放大器也需要好的线性度，以减小相邻信道的大信号干扰 在占 守。 动态范围也是接收机的重要技术参数之一，在应用过程中，接收机经常 受到干扰，因此必须要考虑其动态范围。对于接收机，有两种定义的动态范 围：无乱真动态范围( s f d r ) 及屏蔽动态范围( b d r ) 。两中动态范围的下限均 由接收器的噪声底限( n o i s ef l o o r 或n f l r ) 3 1 1 决定，上限则分别与l i p 3 和墨船 有关。n f i r 就s n r = i n 为零时的m d s p n f l r2 1 7 4 d b m h z + n f + 1 0 l o g b w ( 2 4 ) 因此：s f d r 与b d r 的定义为： s f d r = - 詈( i i p 3 - p n f t r ) - - s n r m i 。 ( 2 - 5 ) b d r = 暑翘一，k 珊一s ! ( 2 6 ) 接收机的第一级电路模块往往是低噪声放大器on a ) ，前面的讨论清楚 表明，第一级模块的噪声系数、线性度等特性参数对接收器的灵敏度、线性 度及动态范围都是十分重要的，因此，c m o sl n a 的设计是一个重点研究课 题。作为前端电路，l n a 还必须有一定的放大能力，具有相当的阻抗匹配度 以保证功率的有效传输。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 2 低噪声放大器的几种拓扑结构比较 一般的c m o s 低噪声放大器可分为以下几种匹配结构，我们将把它们进 行比较而后选取一个最优的结构来进行我们的设计。 2 2 1 电阻匹配共源结构 如图2 5 所示，当放大器需要稳定的5 0 欧姆输入阻抗时，可采用这种 结构，它是在输入端使用电阻性的终端，以提供5 0 欧姆的阻抗。不过在这 个结构中，由于使用电阻，将使得低噪声放大器的噪声系数提高。这是因为 此电阻会有自身的热噪声，该热噪声经过放大器的放大后加到了放大器的输 出端，增加了总输出噪声：而且该电阻还会衰减m o s f e t 的输入信号【3 2 】。 这种简单结构通过在共源放大器的输入端并联一个5 0 欧姆的电阻来达 到输入阻抗匹配的要求，如图2 5 所示，r 提供5 0 欧的实部阻抗。忽略c 酊 的影响，这种放大器的输入阻抗为： 1 乙= 尺口 ( 2 7 ) s l ，g s 通过设置r = r s ，该放大器可以提供5 0 欧的实部阻抗，当c g s 不是很大的时 候，可以达到比较好的阻抗匹配。 遗憾的是：电阻r 会附加上自身的热噪声，并且使晶体管前端的信号衰 减( 衰减因子为2 ) 。这两种效应合在一起一般都会产生不可接受的高噪声系 数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 r 3 1 = 图2 5 电阻匹配共源结构 对于这种结构，若只考虑电阻的热噪声和晶体管的沟道热噪声，则该放大器 的总的输出噪声功率为【3 3 】： ，乙埘= 后z r g 。2 气2 a f + 七z 疋a f + 4 k t y g , ，o 砭a f( 2 8 ) 由信号源内阻引起的输出噪声功率为： 巴= k r r s 嚷a f( 2 - 9 ) 现在假设输入匹配良好。即：r = r s = 5 0 欧。则噪声因子为： ：垒+4fy+上(2-10)f l - 2= 迎+ + _ = 一 圪 口 g 。r s 如果不加电阻r 的话噪声因子为： ，= 1 + 上+ 去 ( 2 1 1 ) q g m r s 、 可见，此种结构电路的噪声系数很高，所以一般情况而言，此结构较少 被使用。此外，该结构的l n a 电路的直流功耗会很大，对于设计低功耗的 l n a 来说，此结构更加不可取。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 2 2 跨导匹配共栅结构 v d d 图2 _ 6 跨导匹舀己共栅结构 如图2 - 6 所示，该结构是采用跨导匹配共栅结构。此结构以m o s 管的 源极作为输入端，从输入端看进去的输入阻抗为g i l l = 杉，因此若要提供 6 ， 5 0 欧姆的输入阻抗匹配，只需适当的选择器件的尺寸和偏置电流即可。该结 构在输入阻抗匹配时，噪声因子的表达式为刚 f 1 + 丝垄里鱼q 盗：1 + 上 4 k t r ， 口 ( 2 1 2 ) 式中，g d 。是在零偏压下m o s 晶体管源漏间的电导值。y 为沟道热噪声 系数，对于长沟道器件，饱和时y 2 3 ，而口= 1 ，可以得到噪声因子f 5 3 ， 约为2 2 d b 。而实际上对于短沟道的m o s 器件来说，y 通常远大于1 ，受到 载流子所产生的热噪声的影响，o s 则远小于1 ，此时噪声因子会非常大，一 般会大于3 d b 3 5 1 。由此可知，跨导匹配共栅结构的l n a 虽然在输入匹配上 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 极易实现，但是它的噪声因子还是不够低，所以目前很少被使用。 2 2 3 并联一串联式反馈结构 如图2 7 所示，这种结构利用并联一串联反馈来实现放大器的输入阻抗 匹配和输出阻抗匹配，它是一种宽带放大器，通过并一串联反馈，可以使得 该放大器的输入阻抗和输出阻抗在相当宽的频带范围内保持恒定，而且双环 反馈降低了器件参数变化对放大器性能的影响，并提高了放大器的线性度 口6 】 o 图2 7 并一串联反馈式结构 如果在输入端加一测试电压v m 岛( 圪吲= 老 其中，k 为源简并电阻砖上的电压，且由上式可知d 刀： k = 冶 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 毛2 岛( 吃一k ) 2 百g ”v i n2 勖形”( 2 - 1 5 ) 其中，g 2 乡么岛r e 为带有源简并电阻i 也的共源级放大器的等效跨导。 g m r e 1 时，该有效跨导近似为e 。 下面我们来求该放大器的电压增益，由k c l 定律可得 4 = 等= 耢叫形警 p 6 ， 若：r f 吃，g m 疋 1 ，砟 恐。放大器的增益为：一r 如= 1 一r 4 f = 两r l + 鬲r f ( 2 - 1 7 ) 在噪声性能方面，并联一串联反馈放大器由于受到反馈电阻r f 和源简并 电阻r e 的热噪声影响，并不适合与作为低噪声放大器使用，但是他由于极高 的频带范围，在噪声性能要求不是很高的宽带应用中，还是应用较广泛的。 并且由于其反馈结构，在宽带应用中必须要考虑其稳定性，要对它做详 2 2 4 电感源极负反馈式结构 如图2 8 所示为电感源极负反馈匹配结构，此种形式是最常被使用的低 噪声放大器结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图2 8 源极电感负反馈 图2 - 9 源极电感负反馈小信号等效电路 简单分析电路的输入阻抗，考虑组件模型只包括一个跨导和一个栅源极 i - j 寄生电容c g s ，等效电路如图2 - 9 所示。 其输入阻抗表示为1 3 8 l ： 乙和( t + t ) + 两1 + l 芑户( 2 - 1 8 ) 从上式我们可以知道，通过适当的偏压条件及电感( k ，l s ) l 拘选择，可 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 以很轻易地使输入端匹酉己至5 0 欧。由于要匹配的是一个5 0 欧的买电阻，所 以z i n 必须满足虚部为零，实部等于5 0 欧姆，可用下面的两个式子表示： 归( 厶+ t ) + 志卸( 2 - 1 9 ) k = 咫一s o p2 。， 当输a n , g c o = c o o 时，使上面两式同时成立，即可求得l s 和l g 的大小， 完成匹配，如下： k = 警( 2 - 2 1 ) ( t + 岛) 2 赤( 2 - 2 2 ) 由上面两式可知，通过调整电感值l s 和电感值l g 的大小，就可以控制输入 阻抗，使实数部分达到5 0 欧且虚数部分为0 。在所有的结构中，电感共源 极负反馈匹配结构比其它的匹配电路结构有更出色的性能，因此在设计高频 低噪声放大器时，大都采用此；b - 法来进行匹配。 2 2 5 外接栅源电容的电感源极负反馈结构 随着c m o s 低噪声放大器设计的不断发展，近些年出现了一种带外接栅 源电容的结构如图2 1 0 所示，这种结构在栅极和源极两端接一个小电容，使 得功耗和噪声系数之间的制约关系减小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图2 - 1 0 带栅源电容的源极电感负反馈结构 2 3 低电压低噪声放大器 低供电电压是当前l n a 设计中必须面对的一个重要研究方向。通常低电 压指的是电路的工作电压远低于工艺允许的额定电源电压，比如对0 6 u m 的 c m o s 工艺，其额定的电源电压通常为5 v ，因此3 v 对它而言就是低电压【3 9 j 。 对于0 1 8 u r n 、0 2 5 u r n 的c m o s 工艺，一般电源电压低于1 2 v 就可以称为低 电压。当前对于低电压的要求很大程度上是出于移动系统的电池电压随着使 用下降的考虑。低电压同时可以简化芯片供电电源的设计，希望电路在一颗 纽扣电池( 额定电压1 2 v ) 供电的情况下也能正常工作 4 0 i 。因此，本文使用的 电源电压也是低于1 2 v 的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 e v i n = -=i= 图2 - 1 1 ( m o s 低电压l n a 在低电压环境下，一些常用的电路结构，例如常规共源共栅电路就不再 适用。为此，人们提出了一些低电压l n a 的结构。例如，为了适应低电压的 要求，可以采用电感负反馈共源放大器结构。由于其性能受到m ill e r 电容 的影响，可以采用变压器反馈的方法实现m i l l e r 电容抵消和放大器的单向 化，但在c w o s 工艺中并不总是能够得到这些无源器件。若采用共栅输入放 大器结构，可以工作在很低的电源电压下，但其噪声性能却不甚理想【4 l l ；采 用如图2 1 1 左边所示的反相器结构的放大器，可以实现电流复用，但是其偏 置点难以控制。由于上述原因，在低电压l n a 中最常见的还是折叠共源共 栅结构，如图2 1 1 右边所示。采用这种结构，既可以在低电压下工作( 只需 要保证m o s f e t 工作在饱和区) ，又能取得较好的性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第三章折叠c a s c o 低噪声放大器 传统折叠型电感源极负反馈共源共栅l n a 如图3 一l 所示【4 2 】。m 1 、l 1 、l 2 组 成共源放大级，m 2 、l 5 、c 4 组成共栅放大级。l 3 在不占用任何直流空间的同 时，为整个放大器提供直流通路。l 3 、c 3 在工作频率上谐振，实现交流开路 阻止信号流失。l 5 、c 4 组成l 型匹配网络，使输出端匹配n 5 0 欧姆。这种折叠 结构的电感源极负反馈共源共栅l n a 的优点在于可以工作在低电压下，只要电 源电压能够保证0 s 和p m o s 都在饱和区就可以了。因此，电源电压可以低至 1 v 以下【4 3 】。 图3 - 1 传统折叠共源共栅低噪声放大器 在传统折叠共源共栅结构的调试过程中，固定两个m o s 管的栅源偏置电 压，让他们工作在饱和状态。改变0 s 的栅极偏压和n m o s 的沟道宽度w ，就可 以改变m o s 的偏置电流。在改变n m o s 的偏置电压和尺寸的同时，可以保持p m o s 的偏置和尺寸不变，使输出端保持不变。随着n m o s 的尺寸的改变，c 3 和l 3 的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 大小需要相应调整，以保持l c 并联回路始终谐振在所需要的工作频率上。当 瑚0 s 的偏置和尺寸改变时，输入端匹配条件也相应地发生变化：栅极偏置电压 改变导致截止频率也发生变化，要求源极电感也随之改变，m o s 的尺寸决定 了输入回路的q 和c g s ，需要调整l 1 的大小以满足输入回路的谐振条件。 3 1 带级间匹配的折叠共源共栅低噪声放大器 =譬譬 图3 - 2 带级i 司匹配的折叠共源共栅低噪声放大器 虽然在工作电压方面，传统折叠共源共栅低噪声放大器有一定的优势， 但是通过分析不难发现：这种结构也存在一些问题有待改进。首先，由于共 源放大级和共栅放大级之间是直接连接，无匹配电路，信号在级间的传输时 被大量反射。这使得放大器的增益很难提高，同时也会导致噪声的增加。其 次，由于级间连接处使用并联谐振结构，在频率很高时，电路的交流阻抗对 无源器件的精确度有很强的依赖。稍有偏差就会导致谐振频率偏移，从而导 致信号向地泄露，增大噪声。 带级间匹配的共源共栅低噪声放大器( 如图3 2 所示) 使用p h i 型匹配网 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 络对传统低噪声放大器进行优化，下面将从改进后的l n a 两级放大器的输入输 出阻抗、噪声系数以及两级之间的隔离等方面来分析优化的结果。 3 2 输入输出阻抗的优化设计 如图3 - 2 所示，改进后的l n a 第一级是一个源极电感负反馈的共源放大 器。对于这种结构低噪声放大器的设计，优化方法大致有三种t1 ) 经典的设 计法以实现噪声匹配为目标，而往往忽视了输入阻抗的匹配，且会引起较高 的功耗；2 ) 基于功耗约束的设计法，该法实现了在满足给定功耗下达到最小 的噪声系数；3 ) 同时实现输入阻抗匹配和最佳噪声阻抗匹配的设计法。但是 要实现最佳噪声源阻抗为5 0 欧姆，并不一定要大尺寸或大电流。因此在这 种情况下，功耗约束的设计法并不是必须的。 在折叠共源共栅低噪声放大器中，共源放大级的等效的电路如图3 - 3 所 示，设z 1 为从m 1 管栅极电感处的输入阻抗 因此：输入阻抗为： z 1 = s ( + ) + 砉+ s g c ms l s g sg s = s ( 乞+ ) + 击+ 吁乞( 3 - 1 ) 乞= 弓口【- 十上( 3 - 2 ) j m 1 歹哆o c l 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 图3 - 3 共源放大级等效电路 图3 - 3 中，l g 与c 2 为l 型阻抗变换网络，可以将共源放大管m 1 的输入 电阻经过变化后与信号源内阻r s 匹配。因此，为实现阻抗匹配，r 的设计值 是与信号源内阻不同的，也就是说，输入管m 1 的栅极输入电阻与信号源内 阻是失配的，用失配因子k 表示适配程度。 在阻抗匹配条件下，从m 1 的栅极往信号源方向看过去的阻抗呈感性， 感抗在数值上等于栅电容的容抗，其电阻部分等于r ，它的噪声系数为： 肛茏( 3 - 3 ) 口，a j 其中： 川+ 2 i 杷辱+ 等( 耐) ( 3 - 4 ) q = 掣= 两1 ( 3 - 5 ) y 、c 和万都是热噪声参数，也是常数。口为偏置的函数，通常定义为： 口= 面l + p 万2 ( 3