（电磁场与微波技术专业论文）cmos+tdscdma低噪声放大器的研究与设计.pdfVIP

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着移动通信技术与c m o s 深亚微米工艺技术的飞速发展，c m o s 射频前 端成为当前的研究热点之一。本文主要从如下四个方面进行研究： 第一：结合3 g p p 规范，对t d s c d m a 接收机要求的非线性、灵敏度和信 道选择性进行分析。深入研究和分析超外差、零中频、宽带零中频和低中频接收 机结构。结合t d s c d m a 技术的空口指标，设计出适合t d s c d m a 接收机要 求的零中频接收机结构，通过增加片外s a w 滤波器、采用双正交下变频结构、 采用2 倍于射频频率的本振频率等方法进行电路优化。 第二：主要针对共源共栅结构低噪声放大器的噪声、增益、线性特性和稳定 性进行了设计分析，得出了在限制偏压条件下的最佳栅宽和最小噪声系数。在设 计阶段，以流程图的形式描述了设计思路，并进行初始设计。考虑到栅漏电容 m i l l e r 效应，从输入匹配网络、级问匹配和栅宽影响等方面进行了优化设计。用 a d s 软件进行仿真，结果满足t d s c d m a 零中频接收机低噪声放大器的指标要 求。 第三：片上电感在l n a 设计中必不可少。从电感建模、效应分析、研究现 状和优化方案等角度进行了研究。对采用片外电感和不同q 值电感的l n a 进行 了仿真比较。 第四：结合单频带低噪声放大器设计的理论，以实现元件共用为目的，从匹 配网络的分析入手设计出了满足2 0 2 0 m h z 和9 4 0 m h z 两个频段的双频带低嗓声 放大器。 最后，总结全文，对未来低噪放的发展进行了展望。并对这个研究的后续工 作进行了简单介绍。 关键字：低噪声放大器，c m o s ，接收机，t d - s c d m a ，片上电感 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h e p r o g r e s s o ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dt h ec m o s m i c r o n t e c h n o l o g y , t h ec m o sr a d i of r e n q u e n c yf r o n t - e n d h a sb e c o m e dai n v e s t i g a t i v e h o t s p o ti nt h e s ea s p e c t sp r e s e n t l y i nt h i st h e s i s ，f o u rp a r t sa r ea r r a n g e da sf o l l o w s ： 1 ) s t r u c t u r a ld e s i g no faz e r o i fr e c e i v e rb e i n gs u i t e dt ot h er a d i os p e c i f i c a t i o no f t d - s c d m aw a sa c c o m p l i s h e d t h ep r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r e so fs u p e r h e t e r o d y n ，z e r o i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y , w i d e b a n dz e r oi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya n dl o wi n t e r m e d i a t e f r e q u e n c yr e c e i v e rh a v eb e e nl u c u b r a t e d h e n c eaz e r o i fr e c e i v e r ss t r u c t u r ef i t t i n g t h er a d i os p e c i f i c a t i o no ft d - s c d m ai sp u tf o r w a r d f u r t h e r m o r e ，t oa v o i dt h e i n h e r e n ts t r u c t u r a ls h o r t c o m i n go fz e r o i fr e c e i v e r , s o m ee f f e c t i v et e c h n i q u e sa r e a d o p t e di nc o u r s eo ft h ec i r c u i td e s i g n i n g ：a d d i n go f f - c h i ps a w f i l t e ra n dd c s h i f t c i r c u i t ，t a k i g d 。o u b l e 一o r t h o g o n a l d o w n 。c o n v e r t - f r e q u e n c ys t r u c t u r e ，自幽o s i n g l o f r e qt o2t i m e so f t h ei n p u tr f 2 ) t h ed e s i g na n a y s i s e sw e r em a i n l yi m p l e m e n t e do nn o i s e ，g a i n ，l i n e a r i t ya n d s t a b i l i t yo ft h ec o m m o n s o u r c ec o m m o n - g a t el n a t h eo p t i m a lg a t e w i d t hw a sg o t i nc o n s t r a i n e db i a sv o l t a g ec o n d i t i o n s i nd e s i g ns t a g e ，a d e s i g n s o l u t i o nw a s d e s c r i b e dw i t had e s i g nf l o w c h a r t ，a n di n i t i a lc i r c u i t sd e s i g nw a sd o n e t a k et h e m i l l e re f f e c to ft h eg a t e d r a i nc a p a c i t o ri n t oa c c o u n t ，s o m em a j o r i z e ds o l u t i o n sw e r e a p p l i e di nt h ei n p u t m a t c h i n gn e t w o r k ，t h ei n t e r - s t a g em a t c h i n ga n dt h es c a l ee f f e c t p a r t s t h es i m u l a t e dr e s u l t so fa d ss o f t w a r em e e tp e r f e c t l yt h ez e r o i fr e c e i v e r s r e q u i r e m e n tf o rt d s c d m a 3 ) i n d u c t o ro n c h i pi sr e q u i s i t ei nt h el n a ，t h em o d e l ，a n dt h es k i n e f f e c t ，a n d t h ec u r r e n ts t a t u s ，a n dt h em a j o r i z e ds o l u t i o no ft h ei n d u c t o ro n - c h i po ns i l i c o n s u b s t r a t ew e r ei n v e s t i g a t e d t h ep e r f o r m a n c e so fl n aw i t hi n d u c t o r so f f - c h i pw e r e s i m u l a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h o s eo f t h ed e s i g n e dl n a 4 ) s t a r t i n gf r o mt h ea n a l y s i so fm a t c h i n gn e t w o r k s ，ad u a l b a n dl n a ( 2 0 2 0 m h z a n d9 4 0 m h z ) i sd e s i g n e dw i t hr e f e r e n c et ot h et h e o r yo fd e s i g n i n gas i n g l e b a n d l n a f i n a l l y , ap r o g r e s s i n go r i e n t a t i o no fl n a h a sb e e ne v a l u a t e da n dt h es u b s e q u e n t w o r k so f t h i sp r o j e c tw e r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e n k e yw o r d s ：l o w - n o i s ea m p l i f i e r , c m o s ，r e c e i v e r , t d s c d m a ，i n d u c t o ro n - c h i p i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得重废唑电盍堂或 其他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谢意。 学位论文作者签名：窆墨纬 签字日期：彩年妇日 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解重迭邮鱼盍堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部| 一j 或机构送交沦文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权重麽唑电太堂可以将学位沦文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：垄迭办 f 签字日期：旬年幻知 导师签名 签字日期：训巾6 年6 月6 曰 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 在过去的二十年，移动通信技术取得了飞速发展。第三代移动通信技术( t h e 3 ”g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y 一3 g ) 即将进入我们的生活， 也将在未来社会经济建设和移动通信技术发展中扮演着及其重要的角色。无线收 发系统是移动通信技术的关键单元之一。多频带、全集成、低成本、微型化、低 功耗成为无线收发系统新的发展方向。 在众多接收机结构当中，零中频接收机( z e r o i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y r e c e i v e r z i f r x ) 具有结构简单、易集成、电路单元少、片外元件少、功耗较小等特 点。从简化模拟电路设计、提高接收机整体集成度的角度来看，z i f r x 是一种很 好的选择。当前z 、i f r x 成为实现高集成度接收机的最佳结构，并且得到了广泛 的研究与应用 1 - 2 1 。 低噪声放大器( l o wn o i s ea m p l i f i e r l n a ) 是射频接收机中的关键元件， 作为射频接收系统中第一级放大器，对系统的噪声系数( n o i s ef a c t o r n f ) 、 灵敏度起着决定性作用，因而成为目前国际射频集成电路的研究焦点之一。多频 多模射频前端首先要考虑的就是低成本、低功耗、高集成，多套接收机的组合己 远远不能满足未来发展要求。因此，对双频带低噪声放大器( d u a l b a n dl n a d b l n a ) 的研究很有必要，也将成为l n a 未来的一个研究方向。 以往的收发机大都是利用砷化镓或双极性硅工艺实现的功率放大器、收发开 关、l n a 等射频器件，与互补金属氧化物半导体( c 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 ) 工艺实现的中频( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y i f ) * f f 基带 电路进行混和模拟，其主要由分离元件和低集成度的射频芯片构成。众多工艺中， 为什么在其它工艺的高频性能要优于c m o s 工艺的情况下来研究c m o s 射频集 成电路( r 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 s r f i c ) 呢? 首先，虽然c m o s 器件的高频性能和噪声性能不是最好，但是由于它的工艺最为成熟、成本最低、 功耗最小、应用也最为广泛，且随着c m o s 工艺技术水平的提高，c m o s 的高 频特性和噪声特性也逐渐得到改善，目前已有许多实验室设计出实验接收机；其 次，随着片上系统( s y s t e m o n c h i p s o c ) 概念的提出，得到业界广泛支持， 同时也成为集成电路的研究热点之一；再次，c m o s 工艺具有成本低，工艺成熟 的特点，易与c m o s 工艺的基带实现单片集成。因此c m o sr f i c 是未来发展 的趋势。 重庆邮电大学硕十论文 第一章绪论 1 2c m o sr f i c 的发展 快速增长的无线通信市场的巨大需求增强了对r f i c 的要求。原来的混合电 路由于不能满足低成本、低功耗和高容量的要求，而必然要被集成度越来越高的 集成电路所取代。 射频接收机除了需要考虑功耗、速度、成品率等指标要求外，还要面对噪声、 线性范围、增益等性能指标。在硅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( h b t ) 、s i g e 器件等众多工艺中，虽然硅c m o s 的高频性能 不是最好，但是由于它的工艺最为成熟、成本最低、功耗最小、应用也最为广泛， 且随着技术水平的提高，硅c m o s 的频率特性和噪声特性也逐渐得到改善。最 近几年，世界各国的研究人员在c m o s 射频集成电路的理论、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提高。文献表明， 利用深亚微米工艺，c m o s 电路的最高工作频率已经达到5 g h z 以上，利用c m o s 工艺进行射频电路设计的可行性的研究正在全世界广泛展开，国外不少大学和研 究桃椅已经利用先进韵0 m o s 工艺设计出混频器低噪放、振荡器等屯路。此 外，无线接收机小型化和低价格的发展趋势，推动着射频收发电路和基带电路的 单片集成。在这方面硅工艺特别是c m o s 工艺较砷化镓工艺有很强的优势。乐 观的估计，在最近几年罩，c m o s 射频集成电路将彻底改变无线通信的面貌。 2 1 世纪，微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基c m o s 工艺技术为主流。 尽管微电子学在化合物半导体和其它新材料方面的研究及在某些领域的应用取 得了很大进展，但永远不具备替代硅基工艺的条件。硅集成电路发展至今，全世 界数以万亿计的设备和科学投入，已使硅基工艺形成非常强大的产业能力。同时， 长期的科研投入已使人们对硅及其衍生物各种属性的了解达到十分深入，十分透 彻的地步，成为自然界l o o 多种元素之最，这是非常宝贵的知识积累。 9 0 年代以来，人们一直十分关注集成电路发展的两大问题：一是摩尔定律 是否依然有效：二是芯片的加工尺寸和硅器件尺寸的极限在那里。根据美国半导 体工业协会( s i a ) 1 9 9 9 年修订的国际半导体技术发展指南，2 0 1 1 年前，半导体 集成电路制造技术仍将按照摩尔定律保持高速发展。近几年的研究工作进一步表 明，将有可能在2 0 1 4 年实现0 0 3 5 p m 芯片制造技术。 由于i c 技术与工艺技术的不断提高，集成电路的规模越来越大，复杂程度 越来越高，已经可以将整个系统集成为一个芯片。在需求牵引和技术推动的双重 作用下，出现了将整个系统集成在一个i c 芯片上的s o c 概念。s o c 与i c 的设 计原理是不同的，它是微电子设计领域的一场革命。s o c 是从整个系统的角度出 发，把处理机制、模型算法、软件( 特别是芯片上的操作系统嵌入式操作系统) 、 芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 统的功能。目前，s o c 技术已经暂露头脚，2 1 世纪将是s o c 技术真正快速发展 的时期。 c m o sr f i c 在我国的研究已有近十年的历史，其研究的中心主要在清华大 学、东南大学等少数高校和科研机构。当前在移动通信市场中商用的r f 芯片主 要为国外厂商所拥有。在t d s c d m a 的发展中，芯片无疑是该技术发展的“拦 路虎”。虽然国家在此投入很多，但到目前为止，鲜见成熟的芯片面世。在国家 发展十五和十一五规划中，微电子产业列为国家重点扶持的高科技领域之一，因 此，开展这项研究很有必要。 1 3 低噪声放大器 大多数情况下，l n a 的设计表现为在优化增益、最低的噪声系数、输入匹 配、高线性和低功耗等特性之间的折衷。l n a 表现出的简单是给人们一个误导， 认为其中没有多少元件，设计应该很容易，但是设计是在相关特性之间寻求折衷 而使其显得复杂。基于g a a s 和双极工艺技术的l n a 设计实例很多，但是c m o s l n a 设计例子很少。然而，c m o s 对通信系统的完全集成提供了可能性。近来， 很多的科研机构和公司投入到c m o sl n a 的设计中【3 “。由于c m o s 器件复杂 的高频特性，通常工作频率为截至频率的十分之一。 表1 1 当前c m o sl n a 的研究情况 工艺 作者 n f增益i p 3功耗 f 0：【：艺 时间 参考 技术 d bd bd b mm wg h z p _ m文献 c h a n 2 601 4n a7o 7 521 9 9 3 k a r a n i c o l a221 5 61 2 42 00 90 51 9 9 6 s h e o g 75“0n ，a3 60 9l1 9 9 6 r o f o u g a r a n 352 2n a2 70 9l1 9 9 6 s h i n5 32 0 1 14 1 0 90 9 1 9 9 7 n s h a e 能r3 52 29 3 7 5 1 5o 51 9 9 7 宝 v a n o p p e n 221 7n a1 8o 90 51 9 9 7 o h u a n g l91 692 20 902 51 9 9 8 5 】 j a n e n s3 391 01 0090 51 9 9 8 h f l o y d 1 21 4 513 00 9o 81 9 9 9 j j n 1 9 1 431 0 61 9o 52 0 0 0 附 t i n e l l a 3 0 1 3 404 52 50 2 52 0 0 1 g r a m e g n a 1 2 1 0 3 4 9 5 0 9o 3 52 0 0 】 g o o0 9887 17 5o 8o 2 42 0 0 2 m i n k je h o 251 5o3n2 1 5n2 0 0 2 【6 】 m a d j i d h a f z i 1 2 1 4 59nl90 3 52 0 0 4 【7 】 v l a d i m i r1 8 1 461 0 5219 0 2 5 2 0 0 4 8 1 c h u n y u x i n ， 34 1 75 12 30 9o 3 52 0 0 5 【9 】 表1 1 为当前c m 0 sl n a 的一些研究情况，从增益、功耗和噪声的性能来 看，可以与g a a s 、双极工艺制作的性能相比较。但是几乎没有c m o s 工艺商用 r f i c 出现，还需要更加广泛的研究。 重庆邮电大学硕十论文第一章绪论 低噪声放大器设计过程主要考虑如下几个方面： 第一：要求它的噪声越小越好；因为低噪放处于射频前端电路的第一级，由 级联结构噪声理论可知，它的噪声系数对整个接收机的噪声有着很大影响。 第二：要求有一定的增益，这主要是因为从天线接收到的信号非常微弱，例 如在t d s c d m a 接收机的最小输入信号为1 0 8 d b m ，因此需要对信号进行放大。 但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，增益不宜过大。 第三：低噪声放大器在工作频段内必须绝对稳定。 第四：由于受无线传播路径的影响，信号的强弱是变化的，在接收信号的同 时可能伴随着许多强干扰信号混入，因此要求l n a 有较大的线形范围，所以l n a 必定是一个小信号线性放大器。 第五：通常在低噪放前接一个频带选择滤波器，但是由于这样会对系统的噪 声产生重要影响，因此在我们设计的接收机结构中，频带选择滤波器采用外接 s a w 滤波器，放在低噪放和混频器之间。这样可以减小噪声系数。同时对低噪 放的设计提出了要求，其要具有频带选择作用。 第五：低噪声放大器的增益可调节是很重要的。尤其当输入信号具有较大的 动态范围，就很有必要进行不向的墙益模式转换。在当前的一些研究牛，都是采 用了高中低等几种模式的转换。 低噪放的设计不能单纯的考虑某个参数，这些参数之间都是相互关联、相互 制约。因此低噪放的设计是在众多参数中进行平衡。 1 4 本文结构 本论文主要研究内容有： 1 ) 在对t d s c d m a 接收机的射频要求和接收机结构分析的基础之上，提出 了低噪声放大器的指标。 2 ) 通过对共源共栅低噪声放大器的噪声、增益、稳定性、线性的分析，考 虑共源级m o s f e t 的m i l l e r 效应，分析几种优化方案，设计出符合指标要求的 低噪声放大器。 3 ) 对片上电感从建模、趋肤效应、邻近效应以及优化方案等几个方面进行 了研究，并进行了采用片外电感l n a 和采用q = l o 电感的l n a 的影响分析。 4 ) 基于双频带低噪声放大器设计理论的研究，进行了分析设计和仿真。 本文中电路结构的设计采用a g i l e n t a d s 软件，基于t s m c o 3 5 9 m 的c m o s 工艺技术，使用模型为b s i m 3 进行仿真设计。模型参数参看附录1 ，在文中不 在说明。 本文的主要组织结构为： 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章：绪论： 第二章：理论基础； 第三章：m o s f e t 的物理特性； 第四章：t d s c d m a 接收要求及接收机研究； 介绍了t d s c d m a 技术：分析了t d s c d m a 接收机的灵敏度、a c s 、非 线性要求；研究了几种射频接收机结构；进行接收机结构设计和分析，提出了 l n a 的设计指标。 第五章：低噪声放大器的研究与设计； 主要从共源共栅结构低噪声放大器的噪声、增益、线性和稳定性等方面进行 了设计分析；以流程图的形式描述了低噪声放大器的设计思路：进行了初始电路 设计；考虑到m i l l e r 效应，从输入匹配网络、级间匹配和栅宽影响等方面进行不 同方案的仿真分析。用a d s 软件进行仿真，结果满足t d s c d m a 零中频接收 机低噪声放大器的指标要求。 第六章：片上电感的研究； 从电感建模、趋肽效应、邻近效应、研究现状和优化方案等角度进行了研究。 在设计的低噪声放大器中，进行了仿真分析。 第七章：双频带低噪声放大器的研究与设计 结合单频带低噪放设计的理论，从匹配网络的分析入手设计出了满足 2 0 2 0 m h z 和9 4 0 m h z 两个频段的双频带低噪声放大器。 第八章：结论及未来的工作 对全文进行了总结，为对来的研究方向作了介绍。 重庆邮电火学硕十论文 第二章理论基础 2 1 噪声的统计特性 第二章理论基础 电路中的噪声主要来源于电阻内电子的热运动和晶体管中带电粒子的不规 则运动。这些噪声是电路所固有的，存在于整个系统工作的频段之内。噪声是一 个随机过程，在某一个均值上下作连续的不规则的起伏变化。 由于这种噪声的不确定性，所以不能进行简单的数学叠加来计算。因此在噪 声计算中引入功率谱密度s ( f ) 的概念。功率谱密度s ( f ) 表示单位频带内的功率， 单位是d b m h z 。以电流功率谱表示的噪声功率定义为p l ：f 2s ( f ) d f 。以电压量 托 表示的噪声功率定义为p v = c2 s 。( f ) d f 。通常也采用虿和巧来表示电流功率和电 压功率。 2 2 器件的噪声 评价一个射频系统性能优劣时，噪声是一个很重要的指标。广义上定义为： 除了所需信号之外，其余的均是噪声。在通信系统中，除了人为造成的噪声之外， 还有存在于系统器件中的固有噪声。因此，降低噪声成为我们设计中必须考虑的 关键要素。 2 2 1 电阻元件的热噪声 温度为t ，阻值为r 的噪声电流功率谱密度 是s ：4 r 上，或电压的功率谱密度是 尺 s ，= 4 k t r ，其中k 是波尔兹曼常数， k = 1 3 8 0 1 0 - 2 3 j k 。电阻的热噪声的功率谱密度 与频率无关，因此是白噪声。 一 在计算带宽为b 的线性网络噪声时，可以将 一 日 r r 2 1 电阻的热噪声及等效电路 电阻r 看作为阻值为r 的理想无噪电阻与噪声电流源的并联，或者阻值为r 的 理想无噪电阻与噪声电压源的串联，其中， 巧= 4 灯1 月b ( 2 1 ) 叼2 4 栅b ( 2 2 ) r 一呼 弓 慨权， 节 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论基础 等效噪声模型如图2 - 1 。 2 2 2 噪声系数 在射频微波电路领域，通常用n f ( 噪声系数) 来表征电路的噪声特性。噪声 系数定义为系统输入信噪比与输出信噪比的比值： f ：玉型堕：型盟) 0 s n r ) ，p t ? 、 j 其表征了信号通过系统后，系统引起信噪比恶化的程度。如果系统是无噪的，不 管系统的增益有多大，输入的信号和噪声同样被放大，而没有添加任何噪声，因 此输入输出的信噪比相等，相应的噪声系数为1 。有噪系统的噪声系数均大于1 。 噪声系数常用分贝表示： n f = 1 0 l o g f ( d b ) ( 2 4 ) 在无线接收机中，射频信号经过滤波器、l n a 、混频器等模块的传输，由于 每个模块都有噪声，传输后使信噪比变差。多级级联的噪声系数为： f ：f + 塑+ 墨二! + ( 2 5 ) g e a lg ，“i g e a 2 由上式可知，前面几级对系统的n f 影响较大。为降低系统的n f ，必须降 低第一、第二级的n f 并适当提高它们的功率增益，降低后面各级噪声对系统的 影响。低噪声放大器是处于接收机的最前端，因此就要求的噪声越小越好。 2 3 非线性失真 实际上，在由各种有源器件构成的线性放大器中，由于有源器件的特性是非 线性的，在放大过程中总会产生各种各样的失真，因此必须限制信号的大小，将 失真控制在允许的范围内，从而实现线性放大。 器件的非线性特性的描述方法有：第一种是用解析函数来描述器件的伏安特 性；第二种是将器件的伏安特性在其工作点处用幂级数展开。在讨论器件的非线 性影响时，一般有两种情况：一种是电路输入端只有一个有用信号输入时的情况； 第二种是输入端除有用信号外还有一个或多个信号输入的情况。 衡量l n a 非线性性能的一个重要指标就是三阶交调截点( 3 - o r d e r i n t e r m o d u l a t i o np o i n t 职) 。尽管整个接收机的非线性常常由后面的几级如混频 器等所限制，但是有些应用场合要求低噪声放大器有很高的线性度。 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论基础 驻一胗一批 图2 2 三阶互调示意图 当两个频率十分接近的信号输入放大器时，由于器件的非线性性产生 ( 2 c o ，一吐) 和( 2 哆- - 0 3 。) 的频率组合，很可能落在放大器频带之内的频率分 量除了基本分量之外，还有这些频率组合，如图2 2 所示。这些组合频率是非线 性器件的三次方项产生的。 j i u l o g d f 只，只 1 0 l o甏三输出 ! 1 0 i n 口 h最 f l o g q ， 图2 - 3 三阶互调截点的计算 v v i n ，1 d b 图2 - 4 1 d b 压缩点 三阶互调截点( i p 3 ) 来说明三阶互调失真的程度。定义为三阶互调功率达 到和基波功率相等的点，此点所对应的输入功率表示为l i p 3 ，对应的输出功率表 示为o i p 3 。图2 3 为三阶互调截点计算示意图。 l d b 压缩点定义为使增益比线性放大器下降l d b 所对应的输入信号幅值。在 射频放大电路中经常使用l d b 来度量放大器的线性，如图2 - 4 所示。 通常l d b 压缩点比三阶互调截点小1 0 d b 。 2 4 接收机灵敏度 接收机一个很重要的指标就是灵敏度，定义为：在给定接收机解调器所要求 的输出信噪比的条件下，接收机所能检测的最小输入信号电平。 假设可检测输入功率电平为则有2 等。其峨晌是经接 收机放大后所对应的最低输出功率电平。由于， 专= 愀鲁) 眨s ， n o 是接收机输出总噪声功率，是接收系统内部噪声总和。接收机灵敏度可 重庆邮电大学硕士论文第二章理论基础 以表示为： 已。( 拈m ) = 1 0 l o g ( k t b a f ) + n f ( d b ) + ( s n r ) o 。 ( 2 7 ) 同时，在室温条件下，灵敏度可以表示为： 只, m i n ( d b m ) = 一1 7 4 ( d b m h z ) + l o l o g ( b ) 、 + n f ( d b ) + ( s n r ) d 一拈) 当要求的最小输入信号越小，灵敏度越高，反之亦然。 2 5b s i m 模型 m o s f e t 的模型基本可以分为两个阶段，第一阶段：l e v e l1 3 模型的特点 就是通过一些方程来描述器件，这些方程是从器件的物理特性中推导而来的。当 工艺技术进入亚微米阶段后，物理意义明确、模型准确、运算效率高的解析式的 建立变的非常困难。而出现了b s i m 模型，b s i m 模型加入了大量的经验参数来 简化这些方程，其不足之处是与器件的工作原理失去了联系。b s i m 模型在o 7 9 m 工艺技术中测得的器件物理特性举会出现太大误羞，但是低垂速令工艺技术的就 很难得到保i i l ! l j 。 当前，b s i m 4 模型已经被公布，但是，几乎没有代工厂拥有为利用该能力 而开发的合适的测试构造，其模型的准确性尚待观察。 b s i m 3 模型采用了l8 0 多个参数来进行建模。这个模型在0 2 5 9 m 工艺之上 都是比较精确的。因此本文选用t s m c 0 3 5 1 a m 工艺技术的模型。更多的模型信 息可以参考h t t p ：w w w m o s i s e d u 这个网站，其上有较详细的模型参数和介绍。 重庆邮电大学硕士论文第三章m o s f e t 的物理特性 第三章m o s f e t 的物理特性 m o s f e t 的概念来源于1 9 3 0 年j e l i l i e n f e l d 申请的专利。早于二极管 的发明。然而由于制造技术的限制，m o s 技术直到2 0 世纪6 0 年代初刁开始运 用，开始都是n 型的。2 0 世纪6 0 年代中期发明的互补m o s ( c m o s ) 器件， 引导了半导体工业的一场革命。 c m o s 技术具有只在开关期间消耗功率和只需很少的元件的特点，很快占领 了数字电路市场，而且与其它类型的晶体管相比，m o s 器件的尺寸更容易按比 例缩小，同时c m o s 电路也被证明具有比较低的制造成本。 c m o s 紧接着的一个明显的进步是将c m o s 技术运用于模拟电路设计。较 低的制造成本和在同一个芯片上同时集成数字和模拟部分以改善整体性能和降 低封装成本使得c m o s 技术更具有吸引力。但最初c m o s 与双极型晶体管相比， 速度相当慢，噪声相对大，跨导电流比较小，截止频率相对低，从而限制其应用。 随着c m o s 工艺的发展，c m o s 器件的尺寸不断缩小，提高了c m o s 器件 的性能，提高了频率和开关速瘦，噪声性能也得到了改善，而使e m 0 s 工国逐 渐成为模拟电路乃至射频模拟电路的主流工艺。 3 1m o s f e t 的结构 图3 1 是n 型m o s f e t 的简化模型。其中三 。 个端口分别为：g ( g a t e 栅极) ，s ( s o u r c e 源极) ，i d ( d r a i n 漏极) 。这种器件是对称的，因此源极s 1 广d 和漏极可以互换。 图3 - 1n 型m o s f e t 简化模型 图3 2 为n 型m o s f e t 的结构模型。器件制 作在p 型衬底( 也称作b u l k ，或b o d y ) ，两个重掺杂n 区形成源端和漏端，重掺 杂( 导电的) 的多晶硅( p o l y ) ( 多晶硅是一种无定形形式的硅) 称为栅。一层 薄的s i 0 2 使栅与衬底隔离。器件的有效作用发生在栅氧层下的衬底区。这种结 构中，源和漏是对称的。 栅漏方向的栅尺寸叫栅长l ，与之垂直方向的栅尺寸叫做栅宽w 。由于制造 过程中，栅漏结的横向扩散，栅漏之间的距离略小于l 。 为了避免混淆，我们定义l 。萨l d 。一2 l d ，式中l 。f f 称为有效沟道长度，l d r a 。 称为沟道总长度，而l d 是横向扩散的长度。l 。行和氧化层厚度t o x 对m o s 电路的 性能起着非常重要的作用。因此，m o s 技术发展中的主要推动力就是不使器件 的其它参数退化而一代一代地减小这两个尺寸。 重庆邮电大学硕士论文 第三章m o s f e t 的物理特性 b 图3 - 2m o s f e t 结构模型 g 圈3 - 3n 阱中的p m o s 与n m o s 器件 在互补m o s ( c m o s ) 技术中，同时用到n m o s 和p m o s 。从简单的角度 来看，p m o s 器件可通过将所有掺杂类型取反( 包括衬底) 来实现。在实际生产 中，n m o s 和p m o s 器件必须做在同一晶片上，也就是况做在相同的衬底上。 由于这一原因，其中某一种类型的器件要做在一个局部衬底上，通常称为阱。现 在大多数c m o s 工艺中，p m o s 器件做在n 阱中。注意n 阱必须接一定的电位， 以便p m o s 管的源漏结二极管在任何情况下都保持反偏。在大多数电路中，n 阱与最正的电源供给相连接。 3 2m o s f e t 模型 3 2 1 长沟道模型 对于n 沟道m o s f e t ，在其漏极和源极之间加上偏置电压k ，则在源漏之 间将形成沟道，同时沿着沟道存在压降，电子沿x 方向的浓度可以写成： 伤= 阡，( 乙( 矗一g ( x ) 一) ( 3 1 ) 其中，v ( x ) 是沟道中z 处的电压，。从式( 3 1 ) ，漏极电流可以写为： 厶= 一w c o x 【一v ( x ) 一 v ( 3 2 ) 其中，加了负号，是因为载流子带负电，v 是沟道里电子的速度。而半导体中， v = , u e ，这里的是载流子的迁移能力，e 是电场强度。e ( x ) = 一d v d x ，把电 重庆邮电大学硕士论文第三章m o s f e t 的物理特性 子迁移翠用脾代人，得到： ，) = w c , , x v 。s 川矿】雎掣 3 ) 对于边界条件y ( o ) = 0 和y ( ) = 。这样矿( x ) 可以方便的从方程中得到。 给( 3 3 ) 式两边乘上d x ，然后两边积分，得到： f ，d 出= r “岷【一矿( x ) 一k ( 3 4 ) 因此沿沟道的，。是常数，所以： i d = e 孚【( 一) 一i 1 。2 v 2 】 ( 3 5 ) 【( 一) 一i 。】 ( 3 5 ) 这是长沟道m o s f e t 的普遍公式。 图3 - 4 是式( 3 5 ) 中不同v g s 的漏极电流与漏极电压图，表明了随着v c s 的增加电流能力的增强。计算害譬，就会得到抛物线的顶点是出现在 u y d s = 一时，此时电流是： ，。：委以学( 一) 2 ( 3 6 ) v g s 2 v t h 图3 4 漏电流与漏电压线性区示意图 我们况一心，是过驱电压，w f l 是宽长比。如果 一，这管子工 作在三