（计算机应用技术专业论文）cmos低噪声放大器研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着现代通信技术的飞速发展和市场需求的不断提高，对射频接收机 的性能提出了更高要求。对于接收机中的射频电路模块而言，低噪声是一 个非常重要的指标。高品质因数的单片电感是设计出优良性能的低噪声放 大器的基础。低噪声放大器作为接收机的第一级其性能直接影响整机性 能。因此，对低噪声放大器的研究，是十分有意义的。 本文从研究高品质因数的电感入手，总结了集成电感的现状与进展， 详细介绍了集成电感的结构和模型，并设计了一个适合课题所要求的 1 8 g h z 低噪声放大器的高品质因数的变压器型螺旋电感。在此基础上采 用共源共栅源极去耦和增加极间电感结构，结合先进的射频集成电路仿真 软件h p - a d s ，对其进行匹配、仿真、优化设计，得到了较高性能指标的 仿真结果。该课题由国家自然科学基金资助。 本文首先简要地介绍了低噪声放大器的发展趋势以及面临的主要问 题；接着对单片集成电感的研究现状和发展趋势作了较详细的阐述，并对 变压器型螺旋电感的品质因数进行了详细的理论分析和仿真论证；然后从 理论上详细介绍了低噪声放大器设计的基本理论和匹配方法，并对稳定性 判断依据的参数指标和电路的噪声性能指标作了较深入地探讨：最后，对 设计的低噪声放大器采用有源负载和无源负载的仿真结果进行了分析和 比较，并得出高品质因数的螺旋电感对提高低噪放的噪声性能的有效性。 关键词：低噪声放大器；螺旋电感；有源负载；a d s 仿真软件 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t w i t ht h e r 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 e g r o w i n gd e m a n do ft h em a r k e t s ，t h eb 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 sr e c e i v e r si sr e q u e s t e d a so n e o fm i c r o w a v eo rr f c o m p o n e n t s ， l o wn o i s ep e r f o r m a n c ei s v e r yi m p o r t a n t h i g hq u a l i t yf a c t o rm o n o l i t h i c s p i r a li n d u c t o ri st h eb a s eo fd e s i g nh i g hp e r f o r m a n c el o w n o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) ，a s f i r s ts t a g eo ft h er e c e i v e r , t h ep e r f o r m a n c eo fl n a d i r e c t l ya f f e c t s i t sp e r f o r m a n c e t h e r e f o r ei ti ss i g n i f i c a t i v et or e s e a r c hl n a t h i sp a p e rs t a r t sw i t ht h er e s e a r c ho f h i g hq u a l i t yf a c t o ri n d u c t o r b a s e d o nt h er e v i e wo fi n t e g r a t e di n d u c t o r sg i v e na n dt h es t r u c t u r ea n dm o d e lo f i n t e g r a t e di n d u c t o r si n t r o d u c e d ah i g hqt r a n s f o r m e r - t y p ec m o s i n d u c t o rf o r 1 8 g h zl n ai s d e s i g n e d i nt h el n ad e s i g n , c a s c o d es o u r c ed e g e n e r a t i o n s t m c t u r ea n di n t e r s t a g ei n d u c t o ra r e a d o p t e d b a s e d0 nt h er fi n t e g r a t e d c i r c u i t ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ( a d s ) ，t h ed e s i g n e dl n ai sm a t c h e d ，s i m u l a t e d a n d o p t i m i z e d i nt h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e r , i ti n t r o d u c e st h et r e n do fl n aa n dt h eo p e n p r o b l e mo fl n ad e s i g n i ns u c c e s s i o n ，t h ep r e s e n ts t a t u so fi n d u c t o r sh a s b e e nf o r m u l a t e d ；i nt h i sp a r t ，t h e q u a l i t y f a c t o ro f t r a n s f o r m e r - t y p ei n d u c t o ri s a l s o t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d i n p r i n c i p l e a n ds i m u l a t e di na d ss o f t w a r e t h i r d l y , i td e t a i l st h eb a s i ct h e o r yo fl n ad e s i g na n d t h em a t c h i n g m e t h o d ；i n t h i sp a r t ，i th a sa l s oe x p l o r e dd e e p l yt h ep a r a m e t e rd i r e c t i v eu s e dt oj u d g et h e s t a b i l i t ya n dt h en o i s ep a r a m e t e r so ft h ec i r c u i t f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t s o ft h ed e s i g n e dl n a e m p l o y i n g a c t i v el o a da n d p a s s i v e l o a da r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d ac o n c l u s i o nt h a tt h en o i s ef i g u r e 州f ) o fl n a c a nb el o w e r b y u s i n gh i g hq u a l i t y f a c t o ri n d u c t o ra sa c t i v el o a dc a r lb ed r a w n k e yw o r d s ：l o wn o i s ea m p l i f i e r ；s p i r a li n d u c t o r ；a c t i v el o a d ；a d ss i m u l a t i o n s o f t w a r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 背景 第1 章绪论 在最近的十多年来，迅猛发展的射频无线通信技术被广泛地应用于当 今社会的各个领域中，如：高速语音、数据、图文和图像传输、蜂窝式个 人通信与基站、低轨道卫星移动通信、无线局域网、无线接入系统、全球 卫星定位系统、卫星直播电视和多点多址分布系统等。从广义上讲，射频 ( r a d i of r e q u e n c y ) 是指无线通信所用的频段，在2 5 0 m h z 到3 0 g h z 范围内。 目前在无线通信技术领域，射频多指8 0 0 m h z 至2 5 g h z 的频谱范围通信 系统的应用。无线通信所具有的高度机动性、灵活性使它的应用日益广泛。 特别是近几年来，第3 代移动通信( 3 g ) 、高速无线互联网、b l u e t o o t h 以 及利用m p e g 标准实现无线视频图像传输的卫星电视服务等技术是日新 月异，无线通讯技术得到了飞速发展，预计到2 0 1 0 年，无线通信用户将 达到1 0 亿人，并超过有线通信用户【l 】。 快速增长的射频无线通信市场的需求，使低成本、低功耗、单片化的 射频收发机成为一个必然趋势。典型的射频收发设备除了功耗、速度、成 品率等性能要求外，还要面对噪声、线性范围、增益等指标。在c m o s 、 b i c m o s 、双极工艺、g a a sm e s f e t 、异质结双极晶体管等众多工艺中， 虽然c m o s 的高频性能和噪声性能不是最好，但由于它的工艺成熟、成 本最低、功耗最小、应用最为广泛，且随着技术水平的提高，c m o s 的 频率特性和噪声特性也逐渐得到改善。因此尺寸不断缩小的c m o s 工艺 技术，必将取代传统工艺成为发展主流1 2 j 。近年来，随着特征尺寸的不断 缩小，深亚微米c m o s 工艺其m o s f e t 的特征频率已经达到了5 0 g h z 以上，使得利用c m o s 工艺实现g h z 频段的高频模拟电路成为可能。最 近几年，世界各国的研究人员在c m o s 射频集成电路的设计和制作方面 进行了大量的研究，使c m o s 射频集成电路的性能不断得到改善提高。 1 2 实际意义 随着社会的需求和技术的不断刨新提高，片上系统( s y s t e mo nc h i p ， 简称s o c ) 必将成为大势所趋。片上系统的最终目的就是要把接收或发射 系统集成在块芯片中，以减小体积、降低功耗和成本。 对于不断成熟的c m o s 工艺实现片上系统大体上可分为两步：首先， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 把射频部分用c m o s 工艺实现，即射频集成电路限f i c ) 设计；其次，集 成射频部分和数字部分子同一芯片，成为片上系统。在射频集成电路设计 中，噪声和功耗是最为重要但同时又是相互矛盾的两个性能指标。射频集 成电路设计的最终目标是实现尽可能小的噪声系数( n o i s ef i g u r e ，n f ) 和 功耗。 本文主要讨论的是射频集成电路设计部分中的一个重要模块一一低 噪声放大器。作为接收通道的射频前端电路，低噪声放大器的噪声性能决 定着整个通路的噪声特性，进而决定接收机的灵敏度和动态工作范围。因 此，研究低噪声放大器是个很有意义的课题。 1 3 当前研究情况 低噪放的输入级主要有四种形式 3 1 ( 如图1 - 1 ) ： b h 电阻端接蝴l z 瑚接膏路电阻反馈 忡源根击车禺 圈1 - 1 低噪放与源阻抗匹配的结构 结构( a ) 中，其电阻终端提供了5 0 0 的输入阻抗。由于现实中的电阻 不可避免的引入噪声，电阻终端无疑增大了放大器的噪声系数。所以，这 种结构现在很少用。 结构c o ) q ，其低频输入阻抗约为1 ，陆，所以该结构也称1 ，g i n 结构。 文献【3 】已经证明该结构的最小噪声系数为2 2 d b 。 结构( c ) 采用电阻串并联反馈( s h u n t - s e r i e sf e e d b a c k ) 的结构形式。这种 结构的缺点可以从文献1 4 习中可以看出，在噪声性能差不多的情况下，要 比其他结构的功耗大很多。 结构( d ) 是现在最常用的c m o s 低噪放的结构，也是本文设计的低噪 声放大器所采用的结构。该结构在m o s 管的源极接一个电感使输入阻抗 中增加一个实数项，有利于实现噪声和功率增益的匹配。 q ：一1可 西南交通大学硕士研冤生学位论文第3 页 1 4 本论文研究的问题 本论文研究的是c m o s l 8 g h z 低噪声放大器。该低噪声放大器采用 共源共栅( c a s c o d e ) 源极去耦( s o u r c ed e g e n e r a t i o n ) 结构和变压器型螺 旋电感负载。 具体工作如下： 1 首先从电感品质因数对设计的低噪放性能影响出发，详细介绍了 集成电感的结构和模型，分析了集成电感q 值的含义。在回顾集 成电感的研究现状之后，总结了提高集成电感q 值的各种方法。 2 调研了集成电感器的可行结构，在此基础上设计了一个变压器型 螺旋电感，预计在1 8 g h z 频率下其品质因数q 在带宽2 0 0 m h z 的范围内都大于1 0 0 。 3 本文的重点就是设计了一个变压器型螺旋电感做负载的低噪声 放大器，利用t s m c0 1 8 1 mc m o s 工艺库对设计的低噪声放大 器部分参数进行了仿真，并比较、分析在片上电感负载和变压器 型螺旋电感负载两种不同情况下的仿真结果差别。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章接收机和低噪声放大器概述 2 1 接收机 无线接收机的功能是在强干扰和噪声存在的情况下能成功解调所需 要的信号。超外差体系结构自1 9 1 7 年由a r m s t r o n g 发明以来，已被广泛 采用。超外差接收机双变频体系结构( s u p e rh e t e r o d y n e r e c e i v e rd u a l c o n v e r s i o na r c h i t e c t u r e ) 如图2 1 所示。 混频器低通滤激器 图2 - 1 超外差接收机双变频体系结构 2 1 1 接收机的性能指标 i o 衡量接收机性能优劣的参数有灵敏度、选择性、线性度和动态范围等。 接收功率是发射机与接收机之间的距离和周围环境的函数。这就要求接收 机系统应具有大的动态范围。此外，还需考虑把成本和功耗降到最低。 灵敏度是接收机系统的一个关键技术指标，也是对接收机对弱信号 放大、解调能力的衡量。灵敏度定义为：当接收机输出端为解调提供了充 分的信噪比s n ( s i g n a l t o n o i s e ) 时，接收机可检测到的最低可用信号功率。 最小可允许接收噪声方程式可从噪声因数定义导出，噪声因数定义如 下： f ；面( s 瓦n ) i “ ( 2 1 ) 岱) 。 、 7 式中：( 蜀a v ) i 。和 帅。分别是接收机输入端和输出端的信噪比。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 对于成功的信号检测，( s a t = 互“0 ，瓯= 氏i n ，且n j n = k t b ( 可用热噪 声功率基值) 。若以d b 表示。式( 2 1 ) 变为 n f 一1 0 1 9 ( f ) 一s 。h l o l g ( k t b ) 一e b 。( 2 2 ) 式中：k 是波尔兹曼常数；r 是温度：口是信道带宽。 灵敏度的另一个测量参数是天线最小可检信号( m d s ) ，这个m d s 能 在解调器的输出端产生一个可接受的信噪比。m d s 可用下式计算 4 】： m d s ；一1 7 4 d b m h z + n f + 1 0 1 0 9 b w + s n r ，。( 2 3 1 其中- 1 7 4 d b h z 是2 9 0 k 时的热噪声；n f 是接收机中解调模块前的各电路 模块的级联噪声系数；b w 是用于解调器信噪比计算的有效噪声带宽； s n r 。i 。是解调器为保持一定的精度所需的最小信噪比，常以误码率表示。 在某些文献中，m d s 依据噪声基值计算。噪声基值关系式为 只f = s 。i 。一e b ：一p f + l o l g ( k t b )( 2 4 ) 选择性是接收机的另一个关键特征。定义为：在临近频率强干扰和 信道阻塞的情况下，接收机满意提取所需信号的能力。如果接收枫在频率 选择和线性度上是不充分的，那么就会产生互调分量而降低所需信号的质 量。一般来说。失真度确定了接收机可处理的输入信号的最大功率。三阶 失真在很多接收机体系结构中显得特重要。因为在互调分量处于所要的信 号中，以三阶输入截值点e i p 3 来表示。 在测量互调失真的过程中，所需信号的功率电平p s i “d b m ) 和不需要 的各个信号的功率电平p 删( d b m ) 从技术规范中可查到，位于所需信道大 不需要的互调分量p i 。3 计算式为 圪3 一一c c r r ( 2 - 5 ) 式中：c c r r 是伴随信道抑制比( c o - c h a n n e lr e j e c t i o nr a t i o ) 。 接收机的三阶截值点i i p 3 计算式为 阱匕+ 学( 2 - 6 ) 对于压缩和失真的另一个有用定义是i d b 压缩点p l d b 。定义为：功 率增益从理想点下降l d b 的点。其关系式为 f k i i p 3 1 0( 2 7 ) 线性度当接收机检测一个弱信号时，如果附近存在其他的较强干扰 信号，这个较强的信号就会使接收机的工作范围进入非线性区，产生新的 频段的信号，从而将希望接收机检测到的弱信号淹没，因此，接收机的线 性度也是一个重要的指标参数，线性度越高抗干扰能力就越强。 动态范围定义了接收机在检测噪声基值上的弱信号和处理无失真的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 最大信号的能力。用接收机输入端的最大信号和最小信号的比定义接收机 的动态范围。同一个接收机有不同的动态范围是正常的。当最小可辨别信 号s m i n 设为较低的限制时，则较高的限制取决于体系结构。无寄生动态范 围s f d r ( s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ) 年d 阻塞动态范围b d r ( b l o c k i n g d y n a m i cr a n g e ) 是两个特别重要的指标。s f d r 是以最大输入电平( - - 阶互 调分量低于噪声基值) 和最小可辨别信号的s 耐。比为基础。使用式( 2 4 ) 和 ( 2 6 ) 求出s f d r 的表达式为 f s f d r - 詈( 1 i p 3 一p a ) 一詈 ( 2 8 ) j v 口 b d r 定义为上限信号p 1 d b 与最小可辨别信号i 。的差。b d r 的数学 表达式为 b d r 一丑d b s “。( 2 9 ) 2 1 。2 低噪声放大器总述 由于低噪声放大器处于天线和射频滤波器后的第一级，它必须对射频 滤波器表现为一个5 0 0 的负载特性以保证最大的功率传输，其噪声特性 将直接影响整个系统的噪声性能。所以，噪声是设计低噪放首要考虑的因 素。从总体上来说，c m o s 器件的噪声特性要比双极型器件或g a a s 器件 的噪声特性要差，所以，对低噪放的噪声的控制也就成了设计中要面对的 最大挑战。因此，研究低噪放的性能对于优化接收通道的性能是个很有意 义的课题。 2 1 3 低噪声放大器研究现状 由于c m o s 工艺在近几年来才得到飞速发展，所以c m o s 射频电路 是一个新兴的研究方向。c m o s 射频集成电路设计始于1 9 9 6 年左右，由 t h o m a sh l e e 等教授倡导d i 。 迄今为止，已有大量的相关文献发表于各类期刊杂志。表2 - 1 主要是 针对c m o s 低噪放列举了其中的一些文献，从中可以反映出c m o s 低噪 放的一个发展的现状及趋势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 表2 - 1 当前c m o s 低噪放研究水平 i p 3功耗 而 结工艺 作者 ( d b )( r i b )( r o w )( g h z ) 构c m o s 时间 n f 增益 ( d b ) k a r a n i c o l a s l o j2 21 5 61 2 42 00 9d5 z m1 9 9 6 s h e n g t “ 7 51 1 qn a3 6o 91 , u m1 9 9 6 r o f o u f a r a n 6 j3 52 2n a2 70 9b1 “m1 9 9 6 s h i n t ”5 32 01 14 1o 9bm1 9 9 7 s h a e f f e r t 3 13 52 29 37 5 1 5d s u m1 9 9 7 p a t s s i n e n t t u l 3 41 794 8l 。8d。3 “m1 9 9 8 j a n s s e n s t “j3 391 01 00 9d3 u m1 9 9 8 r a f l a t l “2 52 21 01 22 5d8 “m 1 9 9 9 j i n t l w1 91 431 0 61 9d3 “m2 0 0 0 y a n g 0 1 ” 2 42 03 44 82 4d 2 5 u r n2 0 0 l g r a m c g n a t l j 1 21 034 9 50 9d3 5 “l n 2 0 0 1 l o n g t l o j 0 7 61 2 9n a2 42 4d 1 8 u r n 2 0 0 2 l i n i l ，j1 2 21 7 42 1n a5d 2 5 u r n2 0 0 3 z h a n g l l ” 1 9 71 3 7n a7 52d3 5 “m 2 0 0 3 g o v i n d t l w2 51 2 7n a2 4 52 1d 5 p x n2 0 0 4 n g u y c n t 。q 1 3 51 2 _ 4 29d 2 5 “r n2 0 0 4 c h i u t z 2 71 1 5o 31 25 2d 2 5 u m2 0 0 5 n g u y e n o 。q 1 52 0 5- 51 25 2 5d1 8 “m 2 0 0 5 注：表中结构栏中的a 、b 、c 、d 分别对应于图1 - 1 中的标号。 2 2 噪声和干扰 2 2 1 噪声 噪声是一种随机信号，其频谱分布在整个无线电频率范围。它是影响 各类接收机性能的主要因素之一。 噪声一般指内部噪声，可分为自然的和人为的噪声。自然噪声有热噪 声、散粒噪声和闪烁噪声等。人为噪声有交流噪声、感应噪声和接触不良 噪声等。 理论上说，任何电子线路都有电子噪声，但通常电子噪声的强度很弱， 主要对信号较弱的电路有较大的影响，例如，在接收机的高放、混频前级 电路中。在电子线路中，噪声来源主要有两方面：电阻噪声和半导体管噪 声。 1 电阻热噪声 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 电阻由导体等材料组成，导体内的自由电子在一定的温度下总是处于 “无规则”的热运动状态，这种热运动的方向和速度都是随机的。已有实 验和理论分析证明：电阻热噪声作为一种起伏噪声，具有极宽的频谱，从 零频一直延伸到1 0 1 3 h z 以上的频率，而且它的各个频率分量的强度是相 等的。这种频谱与白色光的光谱类似，函此将具有均匀连续的噪声硝做白 噪声，电阻的热噪声就是一种白噪声。 电阻r 产生的热噪声功率谱密度表达式为 ( ，) = 4 k t r( 2 1 ) 式中：k 为玻耳兹曼常数，k = 1 3 8 x1 0 一勺；t 为绝对温度，单位k ； 矸u ) 单位为v 钿z 。 2 二极管的噪声 晶体二极管工作状态可分为正偏和反偏两种。正偏使用时，主要是直 流通过p n 结时产生的散粒噪声。半导体材料的体电阻产生热噪声可忽略 不计。反偏使用时，因反向饱和电流很小，故其产生的散粒噪声也小。如 果达到反向击穿，又分两种情况：齐纳击穿二极管主要是散粒噪声，个别 的有1 噪声( 闪烁噪声) ；雪崩击穿二极管的噪声较大，除有散粒噪声， 还有多态噪声，即其噪声电压在两个或两个以上不同电平上进行随机转 换，不同电平可能相差若干个m v 。这种多电平工作是由于结片内杂质缺 陷和结宽的变化所引起。 3 晶体三极管的噪声 一般在一个放大电路中，晶体三极管的噪声往往比电阻热噪声强得 多。在晶体三极管中，除了其中某些分布，如基极电阻热r b b 会产生热噪 声外，还有以下几种噪声来源。 1 ) 散弹( 粒) 噪声 在晶体管的中( 包括二极管的p n 结) ，每个载流子都是随机地通过p n 结的( 包括随机注入、随机复合) 。这种由于载流予随机起伏流动产生的噪 声称为散弹噪声，或称散粒噪声。由于散弹噪声是大量载流予引起的，每 个载流子通过p n 结的时间很短，因此它们噪声谱和电热噪声相似，具有 平坦的噪声功率谱。也就是说，散弹噪声也是自噪声。一般情况下，散弹 噪声大于电阻热噪声。 2 ) 分配噪声 晶体管中通过发射结的少数载流子，大部分由集电极收集，形成集电 极电流：少数部分载流子被基极流入的多数载流子复合，产生基极电流。 由于基极中载流子的复合也具有随机性，即单位时间内复合的载流予数目 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 是起伏变化的。晶体管的电流放大系数a 只是反映平均意义上的分配比。 这种因分配比起伏变化而产生的集电极电流、基极电流起伏噪声，称为晶 体管的分配噪声。 3 ) 闪烁噪声 由于半导体材料及制造工艺水平造成表面清洁处理不好而引起的噪 声称为闪烁噪声。它与半导体表面少数载流子的复合有关，表现为发射极 电流的起伏，其电流噪声谱密度与频率近似成反比，又称1 ，噪声。 4 场效应管的噪声 在场效应管中，由于其工作原理不是靠少数载流子的运动，因而散弹 噪声的影响很小。场效应管的噪声有以下几个方面的来源：沟道电阻产生 的热噪声；沟道热噪声通过沟道和栅极电容的耦合作用在栅极上的感应噪 声；闪烁噪声。 5 接收天线噪声 接收天线端口呈现的噪声有两个来源：第一是欧姆电阻产生的噪声 ( 通常可以忽略) ；第二是接收外来噪声能量，其一是接收周围介质辐射的 噪声能量，其二是宇宙干扰也会被天线接收。因此，天线噪声是与其周围 的介质温度、天线的指向及频率有关的物理量。为了工程的方便，统一规 定用天线的辐射电阻r a ( 是计算天线辐射功率大小的一个重要参量，不是 天线的欧姆电阻) 在温度t 产生的热噪声来表示天线的噪声性能。t 称 天线的有效噪声温度。 就天线本身而言，热噪声是非常小的。但是，天线周围的介质微粒处 于热运动状态，这种热运动产生扰动的电磁波辐射( 噪声功率) ，而这种扰 动辐射被天线接收，然后由天线辐射出去。 除此之外，还有来自太阳、银河系及月球的无线电辐射的宇宙噪声。 这种噪声在空间的分布是不均匀的，且与时间和频率有关。 6 降低噪声系数的措旅 常用的减小噪声系数的措施如下。 1 ) 选用低噪声器件和元件 在放大或其他电路中，电子器件的内部噪声起着重要作用。因此，改 进电子器件的噪声性能和选用低噪声的电子器件，就可大大降低电路的噪 声系数。 2 ) 正确选择晶体管放大级的直流工作点 晶体管放大级的噪声系数，n 和晶体管的直流工作点有着十分密切的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 关系。f n 和晶体管的参数，。，b ( ，b b ，) ，a o 和 等有直接的关系，而这些参数 又直接由晶体管的直流工作状态所决定。 3 ) 选择合适的信号源内阻 第一级放大器或混频器是与信号源相联的。当存在着最佳信号源内阻 r 。( o p t 、时，放大器的噪声系数最小。在低频工作时，宜采用共发电路作为 输入级，而在高频工作时宣采用共基电路作为输入级。 4 ) 选择合适的工作带宽 噪声电压都与通带宽度有关。接收机或放大器的宽度增大时，接收机 或放大器的各种内部噪声也增大。因此，必须严格选择接收机或放大器的 带宽。 5 ) 选用合适的放大电路 共发一共基级联放大器，共源一共栅级联放大器都是优良的高稳定和 低噪声电路。 6 ) 降低热噪声 热噪声是内部噪声的主要来源之一，所以降低放大器，特别是接收机 前端主要器件的工作温度，对减小噪声系数是有意义的。对灵敏度要求特 别高的设备来说，降低噪声温度是一个重要的措施。 7 ) 适当减小接收天线的馈线长度 接收天线至接收机的馈线太长，损耗过大，对整机噪声有很大的影响， 所以减小馈线长度是一种降低整机噪声的有效方法。可将接收机的前端电 路( 高放、混频和前置中放) 直接置于天线输出端口。 2 2 2 干扰 干扰一般指外部干扰。接收机中的干扰包括：直接从接收天线进入的 干扰( 特别是在混频前没有高频放大器对) ；由高频放大器非线性产生的 干扰：由混频器本身产生的干扰；由本振的谐波产生的干扰等。其中由混 频器引起的干扰是直接影响接收机性能好坏的主要因素【”。 混频器存在下列干扰：信号与本振的自身组合干扰( 也叫干扰哨声) ； 外来干扰与本振的组合干扰( 也叫副波道干扰、寄生波道干扰) ；外来干 扰互相形成的互调干扰；外来干扰与信号形成的交叉调制干扰( 交调干 扰) ；阻塞、倒易干扰等等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第3 章变压器型螺旋电感的研究 本章我们在分析了集成电感器的可行结构的基础上，提出了一种新型 的变压器型螺旋电感。我们不仅从理论上详细研究了变压器型螺旋电感的 参数对其q 值、电感量等的影响，而且还用h p a d s 进行了仿真论证。 3 1 集成电感的结构形式 由于硅衬底的导电性，其衬底损耗使得在硅衬底上做电感难以获得高 o 值( 品质因数) 。直到1 9 9 0 年，n g u y e n 和m e y e r 首次发表文章表明， 电感器是能够被用于硅集成电路的1 2 4 j 。近年来。由于无线通讯技术的迅猛 发展，人们越来越希望在硅衬底上集成的低损耗、高集成的电感【2 5 j ，使 得硅集成电感成为国际微电子领域的一个研究热点。随着m e m s 技术的 发展，使提高片上螺旋电感的性能成为可能，并做了大量尝试。研究主要包 括表面螺旋电感、垂直平面螺旋电感、悬浮螺旋电感和螺线管电感。它们 是通过减小衬底损耗、寄生和线圈电阻来改进电感性能的。用 氐损耗材料 的衬底如砷化镓也能改进电感性能，但是硅衬底的低成本，促进了r f i c 的 商业发展。 硅集成电感的主要结构是平面螺旋形的，它是利用标准c m o s 工艺中 的两层或多层金属层来实现，其中一层或多层用作螺旋式电感线圈，另一 层用来把中间的接头接出来的引线。现在已经出现的平面螺旋型电感的形 状主要有如图3 - 1 所示几种。 画 ( 谴毒边靠 “ 目垃弄 ( 订 垃弗 td ，葺靠 图3 - 1 平面螺旋电感形状 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 如图3 2 给出的集总元件简 化的等效螺旋电感模型被广泛 地应用于设计射频集成电路前 的分析中。其中，l 代表电感量， r 说明串联电阻，c l 、c 2 模拟线 圈与衬底间的耦合电容，c 3 模拟 线圈的耦合电容。其中：电感量 和品质因数q 用二端口网络参 数可表示为 图3 - 2 简化的集成电感等效电路 三一去h n ( z 。) 一丢i i n 伐。) q 。墅世 r “y l ，) 3 2 集成电感的q 值 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 本小节主要讨论集成电感等效电路的简单转换及其品质因数的q 值 的物理意义。 3 2 1 关于q 值的电路分析 q 值是射频电路分析中常用的量。它是针对电抗元件而言的，实质上 表征电抗元件的能量损耗情况。它的定义为 d 。垒! 皇垫垂堡堡查塑墼墨) 。 一周期内电抗损耗的能量 悒 o _ o 僦。o 工 汀删k l 产_ j 翟3 - 3 电感等效电路 实际电感在很宽频率范围内可用图3 3 等效，其中r 龉表征电感的损 每一 窖电 。 晶 图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 耗，它包括由电感线圈直流电阻、高频时的趋肤效应以及线圈对其中磁场 非理想束集引起的全部损耗。在频率不是很高时，r l s 可认为是不变的。 实际电感亦可用一理想电感与r 坫相并联来等效。 按定义可得电感的q 值可表示为 q ；丝或q 。雩 同理，实际电容可用图3 - 4 等效。r c p 或r c s 表征电介质非理想绝缘和 电容对其中电场非理想束集能力而引起的损耗。电容的q 值可表示为 q m c r c p 或 q = 一 q 值应是频率的函数a 调谐回路q 值是对其谐振频率2 夕幺i 而 言的。 对并联谐振回路： q 嘉哪一意 p 3 ， 对串联谐振回路： q 警。去；华 仔 3 2 2 串、并联网络的相互转换 图3 5 所示串、并联是相互等效的，如果a a 端阻抗z 。井目等，即 a a 图3 - 5 串、并联电路的相互等效 匙岷。黯 ( 3 - 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 比较上式两边的实部和虚部，得 器瓮4 墨- x x r xx p 、xs x pp s s xp 、。 若记q 2 舞音，贝| j 由上式解得 b = 志邱一古耳 x s ：黑x p 。xp五52 面五“五 3 2 3 硅集成电感的q 值 r p = ( 1 + q 2 ) r 。一( 1 + q 2 ) 尺s 1 或如警如以 ( 3 _ 7 ) q 值定义同样适用于硅集成电感，为方便定量表达集成电感的q 值 我们将模型简化为便于计算q 值的等效模型，如图3 - 6 所示。 岛 图3 - 6 计算q 值的电感简化模型 根据3 2 2 所述，容易推导出两个模型的参数之间的变换关系为【2 5 c ，。篙簿黜 琊。砑压1 磊 ( 3 - 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 q 5 警。殍r p 。( 1 一型l s 州叫( 3 - 9 ) 式中第一项表示螺旋线圈的贮藏的磁能和金属线的欧姆损耗，第二项 表示在硅衬底的能量损耗，第三项则表示随着频率的提高，电感器系统的 3 3 集成电感的研究进展及提高q 值的方法 高品质因数的无源元件、片上电感和片上变压器，在射频集成电路中 通常是不可或缺的。与有源电感相比，无源平面螺旋电感占芯片面积小、 制作电感精度高、级间阻抗匹配易简化、工作电压低、更宽的带宽与线性 范围等优点。但同样也存在着严重的缺陷，如互连线厚度有限( 3 u m l ， 导致线圈的金属损耗大，高频时趋肤效应严重；标准c m o st 艺硅衬底 的高掺杂性，使线圈与衬底在高频时耦合强烈，衬底损耗大；同时与衬底 间的寄生电容也很大。 标准c m o s 工艺制作平面螺旋电感的基本原则【2 6 l ： ( 1 ) 限制金属导线的宽度：由于趋肤效应，宽导体的中部没有电流 流过，所以采用宽金属线是不划算的； ( 2 ) 相邻导体间间距要最小； ( 3 ) 不要在线圈中央填充电感：由于高频的涡流效应内圈的电阻增 大，而电感值减小，导致品质因数下降； ( 4 ) 限制线圈所占面积：高频时磁场贯通线圈在衬底中产生电流， 导致额外的阻性损耗，电感值减小。而小线圈的磁场贯穿衬底 不深，影响较小。 文献表明，在射频电路中应用的标准c m o s 工艺平面螺旋电感，其 q 值一般都在1 0 以下。 关于硅集成电感的研究主要在如何提高电感o 值上，而减小金属线 串联电阻和硅衬底的损耗是主要的研究方向。迄今为止已出现的提高集成 电感0 值的方法有： 1 在电感线圈与半导电的硅衬底间安置格状屏蔽层，c p a t r i c ky u e 首 先提出了这一思想瞄】，研究了金属层和多晶硅作屏蔽层的情况。文 献【2 7 l 研究了屏蔽层的效果，文献【2 8 l 刚提出屏蔽层圆形可以优化。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 2 用微机械的方法，从硅片的顶部或底部选择性刻蚀去除硅材料，形 成悬置式的螺旋电感线圈【2 9 3 1 】( 图3 7 ) 或边缘悬置式( e d g s u s p e n d c d ) 螺旋电感【3 2 】( 图3 - 8 ) 。 图3 7 悬置式电感 图3 - 8 边缘悬置电感 3 使用高电阻率或绝缘的衬底，如在电感下面掩埋厚的氧化区【3 3 】以减 小寄生效应；采用蓝宝石衬底【3 4 】和玻璃衬底例等。 4 在金属线圈与半导电的硅衬底间添加绝缘层或厚介质层，如加入苯 环丁烷【3 6 l 或使用厚的聚酰亚胺1 3 7 l 。 5 为减小金属层损耗，采用厚金属层或高电导率的铜连线( 3 s 3 9 。 6 采用多层金属连线并联，增加金属的有效厚度【柏】，这种电感器称之 为m u l t i l e v e l i n d u c t o r ；或串联形成叠层结构以减小电感所占面积【4 1 】， 则称之为s t a c k c di n d u c t o r 。 7 通过优化平面螺旋电感的版图【4 2 】和结构【4 3 】来减小金属线圈的损耗 以提高其q 值。 8 通过优化电感的衬底结构，减小衬底涡流损耗来提高q 值【4 4 】。 9 采用空气桥技术，在硅片表面或中间制作悬浮在空气中的电感器 ( 4 54 6 1 ( 图3 - 9 ) 。 1 0 磁芯电感，在螺旋线圈的顶部或与衬底之间形成磁性材料层以增 加电感量【4 7 l ( 图3 - i o ) 。 图3 - 9 空气桥电感 图3 1 0 磁心电感 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 通过上述这些方法，集成电感的q 值得到了一定的提高。另一方面， 又有不少文献是关于集成电感性质的，如：耦合效应、频率影响、温度特 性等等，这里就不再详述。 3 4 高0 变压器型螺旋电感的研究 本节先从理论上分析变压器型螺旋电感实现高q 值的可能性，用 a d s 软件仿真验证变压器型螺旋电感的q 值与理论分析。 3 4 1 变压器型螺旋电感的思想提出 迄今为止，常规的硅上集成的平面螺旋型电感品质因数q 都不高， 如何获得高o 的片上螺旋电感是其中一个最主要研究方向。文献【5 3 】报道 了单片高q 值变压器型螺旋电感，电路如图( 3 - 1 1 ) 所示。 从图3 1 1 中我们可以看出，变压器型螺旋电感是通过变压器磁耦合 来提高单片螺旋电感的品质因数q 的。 圈3 1 1 单片高品质因数q 变压器型电感 现在我们来计算从参考平面向右看的输入阻抗z i n 。假定流过电感k 的电流f 2 为f 1 m o c i o ，其中m o 为增益因数，0 是相位差。那么，输入阻 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 抗z i n 可表示为 z h = ( r l + j c o l l ) + j a j m i 2 ( 3 1 0 ) 其中m 为变压器互感，把i 2 = f l m o 4 - x ( 3 1 0 ) 式，可得 瓦一( r m 帆s i n o ) + ，佤+ m m oc o s o ) 一j 0 + ，越盯( 3 - 1 1 ) 显然，如果我们选择一个适当的电流比值f - ，那么输入阻抗的实数部分 盼可以忽略。 3 4 2 变压器型螺旋电感q 值的计算 正如前面所述，q 值是衡量集成电感的品质参量。在实际中，用来计 算集成电感0 值的公式为 h n f 土1 d 笪堕亟虐塑：k 型 。输入阻抗实部 r 。f l 1 i y ， 对于图3 - 1 1 所示变压器型电感的q 值计算公式可改写为 由式( 3 - 1 1 ) 、( 3 - 1 2 ) 可知，理想情况下：当j 0 0 时，q 值趋于无穷 大。实际中，鳓只可能在某个特定的频率下，才能使q 值趋于无穷大： 不可能满足在一个频率范围内r 盱都趋近于零。 3 4 3 仿真验证 我们在a g i l e n ta d s 仿真软件环境下，采用t s m c 的0 1 8 9 mc m o s 工艺，对设计的电感q 值进行了仿真。为了更有力地证明该变压器型电 感电路结构对提高电感q 值的有效性，我们把文献【5 3 】的测试结果引入仿 真结果中。电感的q 值仿真结果见图3 1 2 。 堕粉 季i 吲 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 二“”7 羹毋“2 3一 图3 1 2 左图为仿真结果、右图为参考文献i s 3 实验结果 从图3 1 2 中可知，本文设计的变压器型电感和文献【5 3 】设计的两个电 感分别在频率大约为1 5 g h z 、1 8 g i - i z 和2 1 g h z 的时候，q 值达到峰值， 其值都超过了2 0 0 0 。本文设计的电感在频率1 6g h z - 2 0 g h z 的范围内， 其品质因数q 值都大于1 0 0 。这对于普通平面螺旋电感来说，其品质因数 q 是很难达到这么高的值。从图3 1 2 的仿真结果中我们可以得出这样的 一个结论，用标准的c m o s 工艺设计的变压器型集成电感电路可以调整 到所需频率时仍有与文献【5 3 】相当的品质因数。 ；，1；，1； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 第4 章低噪声放大器的基本理论及设计方法 4 1 匹配网络 在微波频段，s m i t h 圆图为分析传输线问题和匹配电路问题提供了一个非常有 刖的图解法。s m i t h 圆图基本上是一个所有无源阻抗都画在以单位长度为半径之内 的反射系数圆图。从s m i t h 圆图中读出数据的精确度，足够