（电磁场与微波技术专业论文）cmos低噪声放大器的分析研究.pdf

硕士论文 c m o s 低噪声放人器的分析研究 摘要 随着无线通信技术的迅猛发展和互补金属氧化物半导体( c m o s ) i 艺的不断 提高，使得基于c m o s 工艺的无线射频集成电路( r f i c ) 得到广泛应用，并向着 低功耗、小尺寸、高度集成方向发展。在点对点无线通信频段中，7 1 7 9 g h z 是最有可能用c m o s 工艺实现的，因此本文设计了工作在此频段上基于c m o s 工艺的窄带低噪声放大器。 低噪声放大器( l o wn o i s ea m p l i f i e r , l n a ) 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，这个过程中引入的噪声必须很低，如果信号 在这级引入较大的噪声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，所以在应用中低噪声放大器必须提供足够的增益以抑制后续级模 块的干扰信号，同时满足最佳的噪声系数，提供良好的线性度，使其在较大的信 号动态范围内保证系统工作的正常运行。 文章首先介绍了选题背景、研究意义以及国内外对低噪声放大器的研究现 状。 其次在总结了相关文献资料的基础上，对放大器主要性能参数，二端1 2 1 网络 的噪声理论和m o s f e t 管噪声模型作了分析，通过对常见拓扑结构的比较，选 择电感源极负反馈电路，结合m a t l a b 软件具体分析功耗约束条件下最佳m o s 管栅宽的选择方法。 接着用微波射频电路仿真软件a d s 设计了单级共源放大器、共栅放大器和 共源共栅放大器，比较三种放大器性能的优缺点，得出只有共源共栅放大器可以 做到噪声和功率同时匹配，并在共源共栅放大器的基础上设计两级级联放大器， 提高了单级放大器的增益。 最后研究了低功耗放大器的设计方法，分别对单级共源共栅放大器和两级级 联放大器注入了直流分离技术和电流复用技术，做到射频性能基本不变的情况 下，降低放大器的功耗。 关键词：c m o s ，低噪声放大器，电感源级负反馈共源共栅，低功耗 a b s t r a c t 硕i ：论文 a b s t r a c t w i t ht 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 i e s ，r e s e a r c h e si nt h e f i e l do fr a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t ( r f i c ) b e c o m em o r ea n dm o r eh e a t e d d u et ot h ea d v a n t a g e sl i k es m a l l s i z e ，l o w - p o w e r - c o n s u m p t i o na n df a c i l i t yi nb e i n g i n t e g r a t e dw i t ho t h e rs y s t e m s ，t h er f i cb a s e do nc o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ( c m o s ) t e c h n o l o g yh a sb e c o m eap o pr e s e a r c ha r e a i nb o t ht h e a c a d e m i cw o r l da n dt h ei n d u s t r y a n di ti sk n o w nt h a t7 1 - 7 9 g h zi sw i d e l yu s e di n p o i n t t o - p o i n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e r e f o r e ，t h ep u r p o s eo f t h i st h e s i si sa i m i n g t od e s i g nac b a n dc m o sl o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) 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 , i t s n o i s e ，g a i na n dl i n e a r i t yp e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l yt a k eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h e w h o l es y s t e m t h a ti sa l s ot h ek e yp o i n to fl n ad e s i g n f i r s t l y ，t h i st h e s i si n t r o d u c e s t h es u b j e c to fb a c k g r o u n d ，s i g n i f i c a n c eo ft h e r e s e a r c ha n dt h er e s e a r c hs i t u a t i o na th o m ea n db o a r do fl o wn o i s ea m p l i f i e r s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so fr e l a t i v er e f e r e n c e s ，t h i st h e s i sg i v e sa n a l y s i st oc l a s s i c a l n o i s et h e o r yo ft w o p o r tn e t w o r k ，m o s f e tn o i s ep a r a m e t e r sa n dp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so fl o wn o i s ea m p l i f i e r t h e nc o m p a r e dt oc o m m o n u s e ds t r u c t u r e s ，l n a w i t hi n d u c t i v es o u r c ed e g e n e r a t i o ni se m p l o y e dt od e t e r m i n et h eo p t i m u md e v i c e w i d t hi nf i x e dp o w e rc o n s u m p t i o n t h i r d l y ，t h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ea d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ( a d s ) i su s e dt o s i m u l a t es i n g l es t a g el n a ，s u c ha sc o m m o n - s o u r c et o p o l o g y ，c o m m o n - g a t et o p o l o g y a n dc a s c a d e d s t a g et o p o l o g y c o m p a r e dw i t ht h r e et o p o l o g i e s ，o n l yc a s c o d el o w n o i s ea m p l i f i e rc a ng e tb o t ht h ep o w e r m a t c h i n ga n dt h en o i s e - m a t c h i n gc o n d i t i o n s t h e nt og e tb e t t e rg a i n ，t w o - s t a g el n ai sf u r t h e rd e s i g n e di nt h i st h e s i s f i n a l l y ，t or e d u c ep o w e rd i s s i p a t i o n ，d i r e c tc u r r e n t ( d c ) s p l i ta n dc u r r e n t r e u s e t e c h n o l o g yi su s e di nc o n v e n t i o n a lc a s c o d el n a a n dt w o - s t a g el n a ，r e s p e c t i v e l y i t i ss h o w nt h a ti m p r o v e dt o p o l o g yc a nd e c r e a s et h ew h o l ep o w e rc o n s u m p t i o nw i t h e q u i v a l e n tp e r f o r m a n c eo ft h e o l do n e k e yw o r d s ：c m o s ，l o wn o i s ea m p l i f i e r ，c a s c o d et o p o l o g yw i t hi n d u c t i v es o u r c e d e g e n e r a t i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n 硕二l 论文c m o s 低噪声放火器的分析研究 目录 摘! 1 2 e 】【 a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题背景及选题意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文主要研究内容4 2 低噪声放大器性能参数6 2 1 增益6 2 2 噪声7 2 2 1 二端口网络噪声系数一7 2 2 2m o s f e t 噪声分析一9 2 3 非线性l0 2 4 拓扑结构1 1 2 5 最佳栅宽的选择1 3 2 6 本章小结1 5 3 共源共栅放大器。l6 3 1 共源放大器设计16 3 1 1 电感源级负反馈结构1 6 3 1 2 单级共源放大器18 3 2 共栅放大器设计2 0 3 3 共源共栅放大器设计2 3 3 3 1 直流工作特性2 4 3 3 2 射频工作特性2 6 3 4 两级放大器设计3 0 3 4 1 级联电路性能指标3 0 3 4 2 级联电路设计3 1 3 5 本章小结3 4 4 低功耗放大器3 5 4 1 直流分离技术共源共栅放大器设计3 5 目录 硕二i j 论文 4 2 电流复用技术放大器设计3 9 4 2 1 直流特性4 0 4 2 2 射频特性4 2 4 3 本章小结4 5 结论及展望。4 6 致谢。4 7 参考文献4 8 附录。5 2 i v 硕 j 论文 c m o s 低噪声放人器的分析t i ) f ：j t 1 绪论 1 1 课题背景及选题意义 近年来，随着高新技术的迅猛发展，人类逐渐摆脱有线设备的束缚，无线通 信已经广泛的用于人们的生活中：移动通信、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、防撞雷达、医疗 检测、生物分子学、物联网、全球卫星定位系统和宽带高速无线通信等【l 】。 无线通信最早用于航海领域，换句话说，也就是大部分都是低频通信，功耗 大、设备体积笨重，使用起来十分麻烦。而后，随着通信技术的不断发展，高集 成度、小型化和低功耗的多媒体终端设备应运而生，特别是近十年来，随着新一 代个人通信高频数字信号处理技术的发展和基带信号处理芯片大量出现，以超大 规模集成电路( v l s i ) 为基础的射频无线接收系统，即片上系统( s y s t e mo nc h i p ， s o c ) 成为研究焦点。 无线通信收发机核心器件是射频电路( r a d i of r e q u e n c y ，r f l 和基带电路 ( b a s e b a n d ，b b ) ，早期的射频集成电路大多是以砷化镓( g a a s ) 、硅锗( s i g e ) 化合 物衬底的双极。l 生( b i p o l a r ) s e 艺为主，这是由于它们具有较高的迁移率、低场饱和 速率、较高的截止频率疗，低噪声系数等特性。但是这种工艺成本较高，更重要 的是它与采用互补金属氧化( c o m p l e m e n t a r y m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ，c m o s l 工艺实现的基带电路部分不兼容，无法实现射频模拟电路和数字信号处理电路单 片集成电路。又由于基带部分c m o s 工艺已经比较成熟，改变此部分的工艺相 对较为困难，那么人们就开始想办法改变射频电路的工艺。在砷化镓之后，曾经 还使用过氮化镓( g a n ) 、磷化铟( i n p ) i 艺来实现单片集成电路( m i c r o w a v ea n d m i l i m e t e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s l ，而后，随着半导体工艺技术以摩尔定律飞速进步， 金属氧化层半导体场效应晶体管( m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ，m o s f e t ) 的尺寸从 1 9 6 0 年的2 5 1 a m 降到后来的o 3 5 p m 、0 2 5 9 i n 、0 18 p m 直到现在的9 0 n m 、4 5 n m 、 2 5 n m ，其截止频率疗提高到3 0 0 g h z 以上1 2j ，射频前端用c m o s 工艺来实现成 为可能。相比砷化镓或者硅锗工艺，c m o s 工艺的好处在于：1 硅材料廉价丰富， 易于生长成大尺寸高精度的晶体由于硅在自然界来源丰富，相对于其它材料其价 格更加低廉。2 降低系统性能，c m o s 电路功耗低，为设计低电压低功耗的射频 前段提供了可能性。3 易于高度集成。如果用c m o s 工艺实现射频模拟部分，就 可以和数字电路部分组成完整的单芯片系统，做到了单片集成电路。且随着金属 层数的增加和r f c o m s 高精度的器件模型的提出，特别是片上无源螺旋电感l j j ， 这些优势为高性能的射频集成电路提供了有力保证。所以，目前普遍认为 r f c m o s 工艺将成为新世纪里制造收发机的主流制造工艺。 1 绪论 硕一l ：论文 图1 1 1 模拟射频接收机的框图 在无线局域网射频前端系统中，如图1 1 1 ，低噪声放大器( l o wn o i s e a m p l i f i e r , l n a ) 是一个关键的组成部分，它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，同时将信号输出给后级的混频 器，在这个过程中引入的噪声必须很低，如果信号在这级引入较大的噪声或者没 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。所以作为接收 系统第一级的l n a ，它的噪声性能直接影响整个系统的噪声性能，其噪声性能 必须满足最优；其次，作为放大器的l n a 承担着放大天线接收到微弱信号的重 要任务，在应用中要求必须提供足够的增益以抑制后续级模块的噪声；接着它必 须提供良好的线性度，使其在较大的信号动态范围内保证系统工作的正常运行 【4 】；最后，为了实现最大功率传输，l n a 的输入要与天线匹配，输出也要做到良 好的阻抗匹配。因此，是否能用c m o s 工艺来完成这些指标，设计出符合要求 的低噪声放大器决定了整个接收系统用c m o s 工艺实现的可行性。 本文主要研究频率7 9 g h z 的c 波段窄带放大器，这是由于目前点对点通信 常用频段中，7 1 7 9 g h z 最有可能采用c m o s 工艺实现，这个频段的片上隔离 式( m e t a l i n s u l a t o r - m e t a l ，m i m ) 金属电容可以不再使用传统工艺如砷化镓、氮化 镓、磷化铟，而采用c m o s 工艺，这样就可以不再因为成本原因而设计超宽带 器件，变成设计仅工作在1 0 频带宽度内的窄带低噪声放大器。 本文采用成本更低的台基电( t s c m ) 0 1 8 p mc m o s 工艺设计低噪声放大器， 如前所述，设计时必须考虑：( 1 ) 合适的增益；( 2 ) 要求在工作频率内是小信号的线 性放大器；( 3 ) 输入输出阻抗的匹配；( 4 ) 具有选频功能的窄带放大器；( s ) m 作范 围内的稳定性。 1 2 国内外研究现状 国外从2 0 世纪8 0 年代开始，重点投入r f i c 的工艺制造和设计技术研究。 在9 0 年代有了重大突破，主要标志是实现了：芯片的商品化，更制造出高品质因 数电感与小尺寸电容。随着工艺的不断进步，c m o s 尺寸进一步缩小，集成电路 2 顾二i ：论文 c m o s 低噪声放人器的分析研究 产品将用于人们生活的方方面面。 可是，想要设计出兼具高增益、低噪声及低功耗的c m o sl n a 是非常困难 的，一般只能选择“t r a d e o f f 折衷。一直到上个世纪九十年代中期，c m o s 射频 l n a 噪声系数都在4 - 5 d b 左右【引，直到t h o m a sh l e e l 6 】从电流热噪声与栅噪声 两方面入手，分析了电感源级负反馈低噪声放大器的噪声性能，得出这种结构能 同时实现噪声匹配与输入功率匹配的结论，然后为了降低直流功耗，t h o m a sh l e e 等人又提出在功率约束下噪声优化方法，在满足噪声最优的情况下，功耗又 得到了降低。在此基础上，文献1 7j 在第一级晶体管的栅极和源极之间加上并联电 容，解除了不加这个电容l n a 功耗与噪声性能之问的牵制关系，电路性能能到 进一步提高。 表1 1 国外低噪声放大器研究现状 n fg a i ni p 3p o w e r 石 作者 t e c h n o l o g y ( d b ) ( d b )( d b m )( m w )( g h z ) c h o o n g y u lc h a 0 3 5 9 m 2 4 51 9 31 3 22 6 45 2 e ta l l 8 1 r y u i c h if u ji m o t o 0 2 5 u m1 88 98 41 3 87 e ta i l 9 1 s e y e dh o s s e i n e ta i l l 0 0 1 8 9 m 1 41 6 60 ，695 2 c h i h - l u n gh s i a o 0 1 8 1 t m 3 2 21519 82 4 e ta l 【1 1 1 表1 1 ，给出了国外近几年来低噪声放大器的设计指标，我们可以看出，随 着工艺的发展，低噪声放大器的噪声系数大大降低，放大器的增益也得到了提高。 随着对l n a 增益和频率的要求越来越高，人们开始关注多级级联放大器电 路，m a s u d 等人【l2 j 用两级放大来提高增益，首次设计实现了9 0 n m ：【艺下的4 0 g h z l n a 。d o a n 等人利用三级共源共栅级，采用0 1 3 9 m 标准c m o s 工艺制作了第 一块6 0 g h zc m o sl n a ，增益达到了1 2 d b ，噪声系数为8 8 d b 【i 引。 级数的增加使放大器的增益得到了改善，但同时也增加了整个电路的功耗， 研究低功耗、低电压l n a 成为了近几年研究的热点。通常意义上的低电压指的 是低于1 v 的工作电压，但是偏置电压的降低会导致系统射频性能的降低，因为 低噪声放大器的噪声系数和n m o s 的特征频率成反比1 7 儿m j ，管子的特征频率和 偏置电压之问成f 比，器件的线性度和增益和偏置电压也近似呈现正比关系【i 川， 那么偏置电压减小理论上将导致噪声系数升高，增益减小，线性度变差。由此分 析可得，想要降低系统得功耗，单纯降低偏置电压是不可行的，一般来讲主要从 1 绪论 硕二i ：论文 改变电路的结构或者降低系统电路本身的阈值电压来实现。文献【l 6 j i l7 j 采用了电 流复用技术来使功耗得到降低，两个共源管的偏置电流由同一偏置电流提供，其 能使电路功耗降低一半。文献【i 引用跨导增强技术提出了一种低功耗的共栅放大 器，该结构利用此技术获得了很低功耗，后又采用单片变压器反馈技术，在很低 的功耗下达到很好的功率匹配和噪声匹配。文献【i 州的折叠结构低噪声放大器，实 际上就是多级放大电路的级联，通过改进两级放大器的输入、输出或者中间级匹 配网络来获得良好的电路性能。文献【2 0 j 采用亚阈区技术，即降低偏置电压让m o s 管工作在弱反型区，这种结构能达到很低的电路功耗，与强反型器件相比，亚阈 区器件的非线性更为严重。文献【2 l 】【2 2 j 还提出了正向体偏置技术，其主要思想就 是通过改变衬底和源极之间的电势差来改变阈值电压，通过提高衬底的电势使衬 底和源级之间为正电压，即m o s 管体端为正向偏置。由于m o s 管的阈值电压 降低，其偏置电压也可以同时降低，而阈值电压的降低为低电压设计提供了条件。 国内对c m o s 低噪声放大器的研究起步较晚，但是在国家大力扶持集成电 路产业的政策下，2 0 0 0 年开始，中科院微电子研究所【2 3 j 研制的c m o s 射频前端， 主要针对开放的6 - 9 g h z ，采用0 1 8 9 m 工艺，制造出超宽带低噪声放大器，增益 大于1 8 d b ，反射系数均小于一1 0 d b 。东南大学毫米波国家重点实验室已经研制成 功频率在2 5 g h z 以上的低噪声放大器，杭州电子科技大学i ：2 4 】【2 5 j 近两年来将重点 放在c m o s 工艺射频前端，对超宽带、低功耗l n a 和片上接收系统进行了研究 和版图制作。随着新的理论，新的结构不断出现，对基于c m o s 工艺的低噪声 放大器的研究对我国在新一代无线通信技术方面掌握主动权具有重要意义。 1 3 本文主要研究内容 本文仔细分析基于c m o s 工艺的低噪声放大器的设计方法，采用电感源极 负反馈结构保证低噪声放大器输入匹配和噪声性能，然后为了实现增益的提高， 搭建两级放大电路，最后用直流分离和电流复用技术扩展主结构，实现低电压、 低功耗l n a 。仿真采用a d s 软件和m a t l a b 软件相结合，工艺为t s c m0 1 8 9 m r fc m o s 。 本文共分为五章，主要内容如下： 第一章介绍了课题的研究背景及意义，并对目前国内外低噪声放大器的研究 现状进行了总结概括。 第二章介绍了低噪声放大器的性能参数，重点分析了二端口网络的噪声参数 和m o s 管的噪声模型，通过仿真分析最佳栅宽，功耗和输入网络品质因数之间 的关系，得到晶体管最佳栅宽求解方法。 第三章重点研究了低噪声放大器的设计，将共源放大器、共栅放大器和共源 硕i j 论文c m o s 低噪声放大器的分析 o f - j c 共栅放大器进行比较，得出只有共源共栅放大器能做到功率和噪声同时匹配，然 后在此基础上，设计了两级放大电路提高低噪放的增益。 第四章介绍了低功耗低电压技术，在共源共栅结构和两级级联结构的基础上 分别引入直流分离技术和电流复用技术来降低功耗。 第五 怎磊至戛磊主妻夏吾_ 习夏藏f 乏罗f 罹散了展望。 以上所有章节的研究内容，紧紧围绕着c m o s 低噪声放大器展开，在以电 感负反馈共源共栅结构为主结构的基础上，进行电路改进和性能对比，有理论知 识也有仿真结果。 2 低噪声放火器性能参数 硕：t 论文 2 低噪声放大器性能参数 低噪声放大器( l n a ) 作为第一级增益级电路，必须满足多个性能指标，这使 得低噪声放大器的设计成为射频电路设计的一大难题。低噪声放大器的输入端 接着天线，从天线接收到的射频信号一般非常弱，只能在- l o o d b - - 7 0 d b 之间， 而作为低噪声放大器的后续电路的混频器是无法处理这么微弱的信号的，所以 首先考虑增益要求。其次，接收到的信号是具有一定的信噪l 匕( s n r ) ，为了提高 信号解调的可靠性，这就要求低噪声放大器引入的噪声要尽可能小。而后，有 时天线接收到的噪声信号或干扰信号( 一般称为阻塞信号) 要比有用信号强度大 很多，所以最好低噪声放大器还必须具有足够的线性度，这样才能使得在出现 阻塞信号时，也能够正确放大有用信号。下面我们将分节介绍这些性能指标。 2 1 增益 低噪声放大器的增益要适中，过大会使下级混频器的输入太大，产生失真。 但又不能太小，否则无法抑制后面各级的噪声对系统的影响。对任意射频放大 器来说都有两种影响增益表现的标准，一个是射频晶体管本身，还有一个则是 输入输出与整个网络的匹配程度。图2 1 1 常规放大器系统框图。一个放大器的 特点是由它的散射参数决定。将放大器看成一个二端口网络，其中s l l 、& 2 是输 入和输出的反射系数，& j 、2 是正向传输系数和反向传输系数放大器。通过框 图看出，放大器的输入阻抗经过输入匹配网络和射频源阻抗匹配，输出阻抗经 过输出匹配网络与负载相匹配。二端i z l 网络输入输出的反射系数r 护1 1 。，如下： 一 l + 黼 ( 2 1 1 ) l 惑+ 黼 ( 2 1 2 ) 这里： r s = z z 。s + w z z o 。 ( 2 1 3 ) r ，：兰盘( 2 1 4 ) “ z ，+ z o 其中，1 1 。是电源的反射系数，f 。是负载的反射系数，z 。是特征阻抗。 如图2 1 1 所示，只有当输入输出同时满足共轭匹配，即r ，。= r ：且f 删= r i 时， 放大器能够进行最大的功率传输，而对于放大器这样的二端口网络想要做到同 时满足输入和输出的共轭匹配是比较困难的。 对一个放大器来说，有电压增益叫。) 、功率增益( g ) 、转换功率增益( g t ) 和资 6 硕1 二论文 c m o s 低噪声放大器的分析研究 用功率增益( g a ) ，其中，转换功率增益定量描述了插入在信号源与负载之间的放 大器增益，它是导出其他功率关系的基础，资用功率增益是在负载端口匹配情 况下的增益，功率增益是放大器的功率放大上限。本文用电压增益来描述放大 器的放大情况，其定义为放大器输出端口的电压与输入端口电压之比： 妒附蠢蹴岛 亿， 系统的稳定性可用稳定系数k 来表示，如公式( 2 1 6 ) 所示： 趾帮2 s ( 2 ) i ，i l s ，i 其中：a = s i ，是：- s 2 。s 1 2 ，如果k i 且a i ，电路无条件稳定，提高方向隔离度( 减 小s ，) ，稳定性提高。 2 2 噪声 图2 1 1 常规放大器系统框图 2 2 1 二端口网络噪声系数 噪声限制了通信系统的灵敏度，影响着通信系统的整体性能。一般来说， 噪声可以定义为除可用信号外的任何其他信号，噪声分析主要依据是二端口网 络理论，如图2 2 1 所示一个二端1 2 1 网络由一个导纳k 及等效的并联噪声电流i 。 构成的噪声源驱动。对一个系统噪声性能有用的衡量指标是噪声系数，噪声系 数定义为网络输入端口的信号噪声l 匕( s i g n a ln o i s er a t i o ，s n r ) 和网络输出端口 的s n r 之间的比值。还可以定义为 一 总的噪声输出功率 1 输入噪声源引起的噪声输出功率 r 221 、 噪声系数是对一个系统引起的信号噪声i ：l ( s n r ) 下降程度的度量。这一下降 程度越大，则噪声系数越大，如果一个系统没有加入任何其他的噪声，那么总 的输出噪声就完全取决于噪声源，于是噪声系数就为1 。 2 低噪声放大器性能参数 硕 二论文 b由 含噪声 二端口 网络 i i 图2 2 i 噪声源驱动的含噪声的二端1 5 1 网络 ，、 ) 申u i ( ) 无噪声二端 口网络 图2 2 2 等效噪声模型 对于如图2 2 2 所示的模型，如果源噪声与二端口内部噪声无关则该二 端i s l 网络的噪声系数为2 6 】： f ：互! 垒妻墨垒 f _ 由于通常情况下，二端口网络的噪声电流f 。和噪声电压e 。相关， f 。可以表示为与e 。相关部分f 。和与e 。无关部分f 。之和，即 = i c + t ， 由于f 。与e 。相关，所以f 。可表述为： i f = y c e 。 其中k 称为相关导纳。综合以上三式，可得噪声系数： f = i + l 屯+ ( r + ， z j i f 。) e 1 2 ：1 + 业 + r 陀2 l ： ( 2 2 2 ) 所以噪声电流 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 公式包括三i 贞独立部分，每一邵分口 分别表不为等效电阻或导纳所严生的热噪 声即： 兄= 志2 ( 2 2 6 ) g 2 而i s ( 2 2 7 ) g i ，2 志 ( 2 2 8 ) 此时电路的噪声系数可表示为： f ：1 + g ! l 兰圣 垒! g 。 ：1 + ! ! ! 二 ! 里：堡! ：! 堡堡! ：鱼 ( 2 2 9 ) q 从而二端口噪声网络的噪声特性就有四个参数表征：g ，、b ，、r 。g 。当匕式满 坝士论文 c m o s 低噪声放大器的分析研究 足公式( 2 2 1 0 ) 、( 2 2 11 ) 时 b s = 一b c = b o d t g = = g o p , ( 2 2 1 0 ) ( 2 2 11 ) 公式( 2 2 9 ) 噪声系数将会取得最小值，则最小噪声系数为： i 。= l + 2 r , 【吒+ q 】 = ，+ 2 r l 鼍+ g ；+ g 。i c 2 2 _ 2 ， 将公式( 2 2 1 2 ) ； 1 3 ( 2 2 9 ) 合并噪声系数可表示为： f = 。+ 鲁【( g 一，) 2 + ( e 一，) 2 ( 2 2 1 3 ) u 。 从公式( 2 2 1 3 ) 可以看出，为了实现最小噪声系数，源阻抗必须满足特定条件， 也就是说输入阻抗必须进行特定匹配；另一方面，一般情况下，为了满足最大 功率传输，输入输出都要做5 0 欧姆阻抗匹配。所以，在实际设计中要想同时做 到最佳噪声匹配和阻抗匹配，就只从晶体管的噪声模型入手和拓扑结构入手。 2 2 2 m o s f e t 噪声分析 在金属氧化物晶体管器件中，一个主要的噪声源是沟道电流的热噪声，所 以工作在饱和区的长沟道m o s 器件的沟道噪声可以用一个连接在漏源两端的电 流源来模拟，如图2 2 3 。 其谱密度为： 艺= 4 k t y g d o 4 k t y g 。 ( 2 2 1 4 ) 图2 2 3 热噪声电路模型 在公式式( 2 2 1 4 ) 中，y 漏极噪声系数，勖。为在零偏压下晶体管漏问的电导值， 对长沟道而言，当s 为零时，在饱和区g d o 的等于g m ；而y 是一个与偏压有关 的系数，在长沟道器件中表示为： 一2 11 3 y 1 ( 2 2 1 5 ) y 等于2 3 时，m o s 器件工作于饱和区；另外当s 为零时，y 的值为1 。但对 于亚微米晶体管来说，y 必远大于2 3 ，约为2 3 之间i 6 j 。 9 2 低噪声放大器性能参数 硕士论文 除了漏极电流噪声之外，沟道电荷的热磁振动现象，也会产生另一个噪声， 称为栅极噪声( g a t en o i s e ) ，由于沟道电压变动直接耦合到栅极，导致产生一个栅 极噪声电流。在低频时可以忽略它，但在高频时次栅极噪声对晶体管影响甚大， 栅极噪声表示为 = 4 k t s g g a f ( 2 2 1 6 ) 其堍= 等 j 为栅极噪声系数，在长沟道晶体管下，占为4 3 。栅极噪声电路模型如图2 2 4 所示，此电路模型包含一个g g 电导连接在栅极和源极，同时并联一个噪声电流 源。由于g gi el k y - 缈2 ，所以栅极噪声会随着频率增加而增加，造成功率谱密度 的单调变化，换句话说，栅极噪声并不是白噪声源，可以将其称之为“蓝噪声 源”。 g s c g s 图2 2 4 栅噪卢电路模型 栅噪声和漏噪声是相关的，在文献的相关系数为： 了 c = 芒0 3 9 5 j( 2 2 1 7 ) 弱 从已有文献中得到o 1 8 9 m 工艺中，饱和状态下7 = 1 1 ，6 = 4 3 ，c r = 1 2 ，c = o 3 9 5 j 。 2 3 非线性 在射频电路中，有一些非理想的特性，包括存在于任何环境中的噪声和电 路本身的非线性效应，这会对电路造成干扰，影, 1 6 j 至l j 所要的信号，也影响了电 路的性能。因此作为接收机最前端的低噪声放大器对线性度的要求也就更加严 格。 在工程应用中，一般用p i d b 功率压缩点( c o m p r e s s i o np o i n t ) 矛h p 3 三阶交调点 f t h i r do r d e ri n t e r c e p tp o i n t ) 来描述系统的非线性。如图2 3 1 所示。p i d b 功率压缩 点是指当晶体管的输入功率达到饱和状态时，其增益下降为l d b 时所对应的输 入功率，描述系统功率增益优于非线性而发生的变化。若假设射频系统的输出 信号可以表示为 2 9 】： f ( v d c + v ) k o + l q v + k 2 y 2 + 屯y 3 ( 2 3 1 ) 1 0 倾 ：论文 c m o s 低噪声放人器的分析研究 则可以推导出p 1 a b 压缩点对应的输入信号的幅度： a 1 拈= ( 2 3 2 ) 三阶交调如点描述了系统交调失真的现象，它是理想一阶输出曲线和理想 三阶交调曲线的交点。若假设射频系统的输出信号可以用式( 2 3 1 ) 表示，则系统 的输入三阶交调点和输出三阶交调点为： o p l i i p = 2 4 拓扑结构 ，o i p 3 = k t l l l 3 ( 2 3 3 ) o i p 3 图2 3 1 系统的非线性 对于一个m o s f e t 而言，为达到最小噪声系数z o 。，m o s f e t 的输入阻抗 从本质上讲是电容性的，而此时信号源阻抗在特性上是电阻性的，所以直接让 晶体管提供一个对5 0 欧姆的信号源的良好匹配而又不降低噪声性能看来是比较 困难的。此时我们就想到利用不同的电路结构，使得晶体管对外部电路表现出 一个己知的电阻性阻抗，这是l n a 设计的关键要求，所以这节将简单分析对于 能达到这个目的电路的拓扑结构，然后通过估计它们的噪声性能来缩小范围。 如图2 4 1 2 7 1 目前设计低噪声放大器采用的结构有四种，图中( a ) 并联输入电阻结 构。它直接在共源放大器的输入端上跨接一个5 0 欧姆的电阻使得从源端看进去 的m o s f e t 管的输入阻抗产生实部，但是由于此电阻减弱进入晶体管的信号， 并且带有自身的热噪声，带来的后果就是产生高噪声系数，所以此结构仅在1 9 9 3 年由c h a n ge ta l l 3 0 】设计的中心频率为7 7 0 m h z ，增益为1 4 d b ，噪声系数为6 d b ， 功耗为7 m w 的差分电路中使用过。图( b ) 共栅结构，此结构不需要加任何电阻性 器件就能使得从信号源终端看进去放大器的电阻有实部，且为1 僭因此只要 选择合适的管子尺寸和偏置电流就可以提供所希望的5 0 欧姆的电阻。文献1 2 ，j 中长沟道器件采用此结构设计电路，最终得到的噪声系数为2 2 d b ，根据第二= 审 对晶体管内部参数的讲解，预计在短沟道器件中此结构的噪声系数将会更大。 2 低噪声放大器性能参数 硕：1 j 论文 图( c ) 并联串联负反馈结构。此结构分别用串联和负反馈并联电阻对输入和输出 阻抗进行匹配，这样可以提供在宽带下的实数输入电阻。但是，过多的电阻造 成了功率的消耗，文献【3 1 】【3 2 1 直流功率都达到了l o o m w 以上，故在窄带电路， 一般不提倡采用此结构。图( d ) 电感源极负反馈结构。由小信号等效电路分析， 加入的源极去耦电感三s 提供了输入阻抗的实部，且不带入任何热噪声，可以利 用这一特性来提供一定的输入阻抗而不会降低放大器的噪声性能，这是我们所 希望看到的。 = ( a ) v d 工 ( b ) k 鼻叫 o w h 叫 ( d ) 图2 4 1 最基本的四种拓扑结构 ( a ) 并联输入电阻结构( b ) 共栅结构( c ) 并联一串联负反结构( d ) 电感源极负反馈结构 通过以上初步分析可以看出，如果在电路中加入电阻，则会额外增加输出 端口的热噪声和电路的功耗，这是我们不希望看到的，所以相比较而言，共栅 结构和共源结构在噪声方面的优势较为明显，也是我们分析的重点。这在第三 章将会做出具体分析。 顺i ：论文 c m o s 低噪声放大器的分析研究 2 5 最佳栅宽的选择 我们知道低噪声放大器的设计要考虑很多因素，比如增益、噪声系数、阻 抗匹配、稳定性和线性度，那么最终的设计结果一定是这些指标的一个折中。 既然作为接收机第一级的低噪声放大器的噪声系数在整个接收系统中占主要位 置，所以噪声的优化尤为重要。 经典的噪声优化方法有：( 1 ) 只实现噪声匹配而忽视阻抗匹配的经典设计法 【3 3 】；( 2 ) 在满足功耗条件下达到最小噪声系数的功耗约束设计法【2 7 1 ；( 3 ) n 时实现 输入阻抗匹配和最佳噪声阻抗匹配的设计方法【3 4 1 1 3 5 j 。本章将在功耗约束条件下， 采用第三种方法对电路的噪声进行优化。本小节先确定使电路噪声最小的晶体 管最佳栅宽【27 | 。 根据第二节的二端口网络噪声计算和共源结构噪声系数等效电路，如图 2 5 1 ，可以得出电感源极负反馈的噪声系数： 图2 5 1 电感源极负反馈噪声等效电路 f = ，+ 去r + 鲁+ 考尝c 等c o ， c 2 - s - ， xr s qq f j ? | j 其中q l 为输入电路的品质因数： 削h q 廖掣5 7 ( 1 + ( 2 5 2 ) q j = 掣2 丽1 ( 2 5 3 ) 2 2 w l q , x 3 ( 2 5 4 ) 短沟道m o s f e t 管在饱和区的漏极电流可表示为( 考虑到二阶效应) 3 6 1 ： t ，2 峨v m ，瓦y o d 2 删 其中c o 。是单位面积的电容值，w 和l 是器件沟道的宽度和长度，v 。，是饱和速 率，s ，讲为饱和场强，d 是过驱动电压，d = 。一k h ，k h 为阈值电压，在o 1 8 9 m t 萝中大约等干05 2 v 。对t 作甫流讲行微分可以得到管子的跨导： 2 低噪声放大器性能参数 硕士论文 铲袭嘞e 。知筹， 亿5 固 我们定义u 。为有效电子迁移率， 口墨2 【篙】(2579aop )口= 堕= 【篙】( 2 ) l l +j p = 生 ( 2 5 8 ) g d o 为零偏置时的漏极导纳，那么放大器的