（电路与系统专业论文）cmos低噪声放大器的研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展，无线通信已深入到人类生产、生活的方方面面。作为无线通信系统的 关键模块之一低噪声放大器，它能有效降低后级电路引入的噪声，决定了接收机的灵敏 度。与化合物半导体等其他工艺相比，c m o s 工艺技术最成熟、成本最低、集成度最高，因 此研究c m o s 低噪声放大器具有最要意义。 本文首先介绍了射频集成电路中常用的几种器件( m o s 晶体管、电容、电感、电阻) ， 研究了它们的结构、工作原理及性能特点。并以二端口网络方法，着重分析了m o s 晶体管 的噪声性能，得出了实现噪声匹配，获得最小噪声的条件，及最小噪声的表达式。 介绍了窄带低噪声放大器的主要设计方案：根据m o s 晶体管二端口网络噪声理论，研 究了传统源极电感负反馈结构窄带低噪声放大器的工作原理，详细介绍了在功耗限定条件下 的设计方法。又进一步介绍了在源极电感负反馈结构窄带低噪声基础上的一些改进结构。 在此基础上设计了应用于无线局域网2 4 g h z 低噪声放大器，采用了s m i c0 1 8 t a mc m o s 工艺技术和单端输入差分输出的电路结构。电路同时采用了双支路的电流复用技术，实现了 低功耗、低噪声和高增益的性能：通过在输出级增加一级共栅级，有效地增加了电路的对称 性；共源支路串联电感，解决了差分信号相位偏差问题。仿真结果表明，设计的l n a 的噪声 系数为1 7 6 d b ，增益为2 0 9 d b ，在1 8 v 电源电压下，功耗为8 5 m w 。 接着介绍了宽带低噪声放大器的实现方式，给出了电路结构图，并分析了各种结构电路 的工作原理，阻抗匹配情况及噪声性能。基于i b m9 0 n mr f c m o s 工艺，设计了0 4 - 4 g h z 的宽带低噪声放大器。该放大器采用源极跟随器反馈结构，降低了电路噪声；采用n m o s 与 p m o s 互补结构，实现了低功耗，高增益，低噪声的性能；整个电路中避免了使用电感，使 芯片面积大幅缩小，仅为0 4 * 0 2 8 i - t m 2 ，给出了后仿结果$ 2 1 为1 4 7 1 5 4 d b ，噪声为2 2 3 d b ， 测试结果表明最大增益为1 2 5 d b ，增益约为2 0 3 d b ，噪声为3 7 4 3 d b 。 宽带低噪声放大器普遍存在着增益较窄带放大器小的缺点，为此本文基于i b m9 0 n m r f c m o s 工艺，提出了一种新的改进型宽带低噪声放大器。通过在原共栅m o s 管的栅极引 入一与其源极信号相位相反的信号，可抑制短沟道器件沟道调制效应对电路增益的影响，使 电路增益进一步提高。仿真结果表明，与电路未改进前相比，在0 4 4 g h z 工作频段内，增益 增加了3 d b ，达1 7 5 1 8 4 d b ，而其他性能参数基本不变。 综上，本文分别介绍了窄带及宽带低噪声放大器的主要实现结构，基于s m i c0 1 8 1 a m c m o s 工艺，设计了应用于无线局域网2 4 g h z 低噪声放大器；基于i b m9 0 n mr f c m o s 工 艺，设计了0 4 4 g h z 的宽带低噪声放大器，在此基础上又通过结构创新提高了电路增益。 关键词：c m o s ：低噪声放大器；宽带低噪声放大器：高增益 i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e s o c i e t y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sd e e pi n t om a n ya s p e c to f i n d u s t r y , a n dh u m a nd a i l yl i f e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h ew i r e l e s sc o n u n u i l i c a t i o n s y s t e mi sl o wn o i s ea m p l i f i e r , w h i c hc a nr e d u c et h en o i s eo ft h ec i r c u i ta f t e ri t s e l f , a n dt a k ea c r u c i a lr o l eo ft h er e c e i v e r ss e n s i t i v i t y c o m p a r ew i t hc o m p o u n ds e m i c o n d u c t o ra n do t h e rt e c h n o l o g y , c m o st e c h n o l o g yi sm o s t m a t u r e ，t h el o w e s tc o s t ，t h eh i g h e s tl e v e lo fi n t e g r a t i o n s oi ti ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c hc m o sl o w n o i s ea m p l i f i e r t h ec o m m o n l yu s e dd e v i c e so fr f c i r c u i t ，a sm o s f e t , c a p a c i t a n c e i n d u c t a n c e a n dr e s i s t a n c e ，i si n t r o d u c e da n dt h e i rs t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n d p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s i ss t u d i e d ，i nt h i sp a p e r b e s i d e s ，t h en o i s ep e r f o r m a n c eo fm o s f e ti sa n a l y z e d ，t h ec o n d i t i o n so f c o n j u g a t em a t c h i n g ，m i n i m u mt h en o i s ea n dt h ee x p r e s s i o no ft h en o i s ei s g i v e n ，w i t ht w op o r t n e t w o r km e t h o d n a r r o w b a n dl o wn o i s ea m p l i f i e rm a i nd e s i g ns c h e m ei s i n t r o d u c e d ：a c c o r d i n gt ot h em o s t r a n s i s t o rt w o - p o r tn e t w o r kn o i s et h e o r y , t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n dt h ed e s i g nm e t h o d o ft r a d i t i o n a l i n d u c t i v e l yd e g e n e r a t e dc o m m o n s o u r c ea m p l i f i e r i ti sf u r t h e ri n t r o d u c e ds o m e l m p r o v m gs t r u c t u r eo fn a r r o w - b a n dl n ab a s e do ni n d u c t i v e l yd e g e n e r a t e dc o m m o n s o u r c e a m p l i f i e r o nt h a tb a s i s ，a2 4 g h zs i n g l e e n d e di n p u ta n dd i f f e r e n t i a l o u t p u tl o wn o i s ea m p l i f i e rf o r w i r e l e s sl a ni s d e s i g n e db a s e do ns m i c0 18 p mc m o st e c h n o l o g yi n t h i s p a p e r t h ed u a l b r a n c h e sc u r r e n t r e u s e dt e c h n i q u ei s a d o p t e dt oa c h i e v el o wp o w e r , l o wn o i s ea n dh i g hg a i n c h a r a c t e r i s t i c s t h es y m m e t r yo ft h ec i r c u i ti sa c h i e v e db y i n c r e a s i n gas t a g eo fa m p l i f i e rw i t ht h e c o m m o ng a t ei nt h eo u t p u to fc i r c u i t a n dt h ep h a s ed e v i a t i o n p r o b l e mo fd i f f e r e n t i a lo u t p u ts i g n a l i ss o l v e db ya d d i n gas e r i e si n d u c t o ri nt h ec o m m o ns o u r c eb r a n c h s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h e p r o p o s e dl o wn o i s ea m p l i f i e rh a st h en o i s ef i g u r eo f1 8 3 d b ，ag a i no f2 0 d b ，t h e1 8 vp o w e r s u p p l v a n dc o n s u m e so n l y8 5 m w t h e ni ti n t r o d u c e sw i d e - b a n dl o wn o i s ea m p l i f i e r sr e a l i z a t i o n ，g i v e st h ec i r c u i ts t r u c t u r e ，a n d a n a l y z e st h ep r i n c i p l eo ft h ec i r c u i t ，i m p e d a n c em a t c h i n ga n dn o i s ep e r f o r m a n c e b a s e do ni b m 9 0 n l t ir f - c m o st e c h n o l o g y , a0 4 - 4 g h zw i d e - b a n dl n a i sd e s i g n e d f e e d b a c ks t r u c t u r eo fs o u r c e f o l l o w e ri su s e dt or e d u c et h ec i r c u i tn o i s e ；t h ec o m p l e m e n t a r ys t r u c t u r eb yn m o sa n dp m o s t o a c h i e v el o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hp o w e r g a i n ，l o wn o i s ep e r f o r m a n c e ；t h ew h o l ec i r c u i ta v o i d t ot h eu s ei n d u c t a n c e ，d i m i n i s h i n gt h ec h i pa r e a , w h i c hi so n l y 0 4 * 0 2 8 p m 2 p o s ts i m u l a t i o ns h o 、) r s n 杭州电子科技大学硕士学位论文 t h a tt h ep r o p o s e dl n a h a st h e $ 2 11 4 7 1 5 4 d b ag a i no f 2 - 、, 2 3 d b a n dt h et e s tr e s u l ts h o wt h a t t h eh i g h t e s tg a i ni s12 5 d b ，o f f s e t t i n gt h el o s s e so fb u f f e ri s2 0 3 d b ，t h en o i s ei s3 7 4 3 d b g e n e r a l l yt h eg a i no f w i d e b a n dl n ai sn o ts ow e l lt h a nn a r r o w b a n da m p l i f i e r an e ws t r u c t u r e o fw i d e b a n dl n ai sd e s i g n e db a s e do ni b m9 0 n mr f - - c m o st e c h n o l o g y i n p u tas i g n a lt ot h e c o m m o n - g a t em o s f e t , m a k i n g t h ep h a s eo p p o s i t ef r o ms i g n a lo ft h es o u r c e t h a tc a l lr e s t r a i nt h e e f f e c to fc h a n n e lm o d u l a t i o ne f f e c to fs h o r tc h a n n e ld e v i c et ot h ec i r c u i tg a i n a n dt h ec i r c u i tg a i n w i l lb ef u r t h e ri m p r o v e d 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p a r ew i t hc i r c u i tb e i n gi m p r o v e d b e f o r e ，i nt h eo p e r a t i o nb a n do f0 4 - - 4 g h z ，t h eg a i ni n c r e a s e s3 d b ，t o17 伊18 4 d b a n do t h e r p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sv i r t u a l l yu n c h a n g e d i nc o n c l u s i o n t h i sp a p e rg i v e st h em a i ns t r u c t u r eo fn a r r o w - b a n dl n aa n dw i d e - b a n du 叮a o nt h eb a s i so fs m i c0 18 u mr f c m o st e c h n o l o g y , a c c o m p l i s ht h ed e s i g no f2 4 g h zl n au s e d i nw l a n a n db a s e do ni b m9 0n n lr f c m o st e c h n o l o g ya0 4 4 g h zw i d e - b a n dl n ai s d e s i g n e d a n do nt h i sb a s i s ，t h r o u g ht h es t r u c t u r ei n n o v a t i o ni m p r o v e c i r c u i tg a i n k e yw o r d s ：c m o sl n a ；、i d eb a n dl o wn o i s ea m p l i f i e r ；h i 曲g a i n i i i 杭州电子科技大学硕七学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 近年来，基于微电子技术为基础的信息技术的发展，极大地推动了无线通信技术的变革， 各种无线通信技术不断涌现。无线通信包括射频( r a d i of r e q u e n t ，r f ) 通信和微波( m i c r o w a v e ， m w ) 通信，其利用无线电磁波作为信息载体，将电信号，转变为电磁波，再转变为电信号 的通信方式。无线通信技术的发展，如新一代移动通信( 3 g 、4 g ) ，无线局域网，物联网等 影响到了人类生活生产的方方面面，推动了人类社会的进步与发展。 然而随着信息社会信息量的的爆炸式增长，传统的窄带通信技术因频带有限，其通过提 高频谱利用率与采用更先进的调制方式来提高传输速率的方法已很难满足现带社会对信息传 输速度快速增长的要求。宽频带、高频率、高传输速率已成为移动通信系统的发展趋势，也 是当今移动通信技术研究的热点。 超宽带技术( u l t r aw i d eb a n d ，u w b ) 是一种无线载波通信技术，原专属于军方使用， 具有抗干扰能力强，传输速率高，功耗小，保密性好，结构简单等一系列优点。其广泛的应 用于无线局域网，智能交通系统等民用通信领域和雷达跟踪，精确定位，成像等军事领域l l j 。 随着技术的不断进步，集成电路超系统集成( s y s t e mo nac h i p ，s o c ) 发展已是大势所 趋。而一个完整的无线通信系统包括射频模拟部分和数字电集成电路。与b i c m o s 、g a a s 、 m e s f e t 等工艺相比，c m o s 工艺具有成本最低、功耗最小、集成度最高、应用最广泛等优 点，但其高频特性和噪声性能较差。以前，射频电路都是用g e s i 和g a a s 工艺实现，这是由 于化合物半导体工艺的有源器件具有高的电子迁移率、大的单位增益频、低噪声率等特性， 但其具有成本高，更重要的是其与产用c m o s 工艺的数字电路部分工艺不兼容，无法实现单 片集成。随着微电子工艺技术的提高，特别是等比例缩小技术，m o s 晶体管的频率特性和噪 声性能逐渐得到了改善，o l ：1 9 0 n m 工艺的c m o s ，截止频率已超过1 0 0 g h z 。c m o s 射频集成 电路将是未来的发展趋势1 2 j 。 在无线通信中，低噪声放大器( l n a ) 是接收机最为关键的部分之一。它性能的好坏与 否直接决定了整个接收机的灵敏度，同时较大的增益能有效减小后级模块产生的噪声对信号 的影响。宽带噪声放大器( w i d eb a n dl o wn o i s ea m p l i f i e r , w b l n a ) 不但是超宽带接收机 前端的重要组成部分，而且可用于多制式接收机、可编程接收系统。其设计的主要困难在较 大的频带内，同时实现良好的阻抗匹配、较低的噪声系数、较高的增益及平坦度。传统的低 噪声放大器采用电感以实现阻抗匹配，片上电感将消耗大量面积，不利于成本的降低。更重 要的是传统的同电感与电容谐振作为负载可得到较高的增益，较好的噪声性能，但其往往很 难实现宽带放大，同时缺少精确地电感模型，可能使电路的测试结果与原设计存在较大偏差。 l 杭州电子科技大学硕士学位论文 由于超宽带通信系统和c m o s 工艺的独特优势，用c m o s 实现无电感超宽带低噪声放 大器具有很好的发展前景。目前的难点和热点在于如何适应无线通信技术的发展，尤其是4 g 技术和物联网技术的要求，提高低噪声放大器的噪声性能、带宽、增益，降低功耗和实现单 片集成。由于超宽带系统的广阔市场前景，设计高性能的超宽带低噪声放大器具有很大的研 究价值。 1 2 国内外研究现状 射频集成电路由于不同的应用，不同的工作频率，对性能要求和技术难度存在着很大的 差异。为满足不同领域、不同频段、不同性价比要求，出现了不同的制造工艺。目前r f i c 制造工艺主要有b j t 、h e m t 、b i m o s 和c m o s 等【3 】。 b j t 技术具有速度优势和精度优势，早期射频电路多采用该技术。但该工艺功耗较大， 与基带数字电路工艺不兼容，不适合大规模集成。h e m t 技术的电子饱和速度很高，具有极 好的高频特性，工作频率可达到亚毫米波频段，可用于高速、大功率、高温工作的单元。但 其和b j t 技术一样，适合与基带数字电路集成1 3 , 4 1 。 c m o s 工艺有这明显的成本优势。之前c m o s 由于速度慢、截止频率低、噪声大的特点 并不适合r f i c 的制作，但随着c m o s 工艺的不断进步，特征尺寸的不断减小，在截止频率 和噪声方面有了很大改善。目前r f i c 主要使用0 1 8 t m 和0 1 3 1 a m 工艺，并已向9 0 n m 和6 5 n m 方向发展。随着c m o s 器件尺寸的进一步缩小，c m o s 技术在射频领域的应用除了对低噪声、 低成本、低功耗方面的优化外，正逐步向更高频率、更宽频和更低电压方向发展【5 】。 从频带宽度上来看，低噪声放大器分为窄带低噪声放大器和宽度低噪声放大器。 绝大多数应用都要求低噪声放大器的输入端的阻抗为5 0 欧姆，使其可直接与射频片外滤 波器实现阻抗匹配，否则在低噪声放大器输入端会有较大的信号反射，其会增加电路的噪声， 降低电路的增益，更严重的是此反射信号很可能会进入天线，影响到天线的正常工作。因此 实现5 0 欧姆输入阻抗匹配是低噪声放大器设计必须满足的性能指标。可以实现输入阻抗匹配 的集成c m o s 低噪声放大器电路结构主要有：输入端并联电阻的共源放大器结构、并联串 联反馈放大器结构、共栅放大器结构，以及源简并电感型共源放大器结构1 2 1 。但前三种结构 噪声性能较大，不能很好得满足无线接收机系统的要求。 在窄带射频低噪声放大器中最常见的结构是源简并电感型共源放大器结构( 也称电感源 极负反馈结构) 。在此结构中在共源m o s 管得源极引入一串联电感，此电感在较高品质因数 ( q 值) 的情况下，几乎不引入噪声，同时它能为电路提供一个5 0 欧姆的阻抗实部，在m o s 的栅极串联一电感在工作频率内与输入回路中的容性成分谐振，可实现输入阻抗匹配，同时 串联谐振回路可在增大电路的增益，提高电路的噪声性能。 在文献【6 】中t h o m a sh l e e 等人从沟道电流热噪声与栅噪声两方面入手，分析了电感源 极负反馈结构低噪声放大器的噪声性能，得出了同时实现噪声匹配与功率匹配的条件，满足 此条件时，电路的可以得到最佳的噪声性能，但此时的功耗是便携式接收机所无法接受的。 杭州电子科技大学硕士学位论文 在此情况下，t h o m a sh l e e 等人又提出了在功率约束条件下噪声优化的方法，实现了阻抗匹 配的同时达到了低功耗、低噪声的要求。 此噪声优化方法虽能在较低功耗的情况，实现较好的噪声性能，但其功耗往往还是会达 到十几，甚至几十毫瓦。在文献【7 ，8 ，9 ，1 0 ，1 1 】中提出在m o s 管的栅极与源极之间并联一个 电容的方法。分析了在满足t h o m a sh l e e 提出的功率约束条件下噪声优化条件的情况下， m o s 管栅宽，并联电容大小与噪声系数的关系，并提出了一套设计方法。此方法用该电容代 替了部分m o s 管栅极与源极之间的寄生电容，可减小m o s 管的宽度，进一步降低电路的功 耗。 在频率不是很高时，输入回路要实现串联谐振需要较大的电感，而片上电感往往感值较 小，另外大的片上电感其品质因数( q 值) 较差，会引入很大的噪声，恶化电路的噪声性能， 文献 1 2 ，1 3 t p 在m o s 管得栅极到地并联一个电容，可有效减小栅极电容。 另外，文献 1 4 ，1 5 ，1 6 ，1 7 】采用电流复用技术，同一偏置电流为两个共源管提供偏置电流， 而不是两个共源m o s 管分别提供一路偏置电流，其能使电路的功耗降低一半，而电路的其 他性能基本保持不变。 但单端的电感源极负反馈结构低噪声放大器有个较严重的缺点就是其对源极负反馈电感 非常灵敏。由于工艺上存在的误差，若采用键合线其电感值更是难以控制，以及环境的影响， 很可能使电路的工作频率发生偏移，影响接收机系统的正常工作。另外随着单片集成的电路 模块的增多，工作频率的提高，衬底耦合也随之增加，它会严重影响到电路的性能，文献 1 8 ， 1 9 ，2 0 采用差分结构可有效抑制衬底耦合噪声对电路的干扰，同时电路的线性度提高一倍， 即3 d b ，噪声性能与增益几乎不变，但缺点是电路的版图面积和电路的功耗增加一倍。 对宽带低噪声放大器而言，窄带用到的源极负反馈结构，其使输入回路内电感与m o s 管栅源电容串联谐振的方法已不能满足宽带低噪声放大器要求的在较大频带内实现5 0 欧姆 输入阻抗匹配的要求。到目前为止，从电路拓扑结构上看，宽带低噪声放大器主要由共栅结 构、分布式结构、带通滤波器匹配结构、负反馈结构、变压器匹配结构等。 共栅放大器的输入阻抗z i n = l g m ，其受频率的影响很小，可以在很宽的频带内实现阻抗 匹配，但这种结构输入主抗匹配的要求限制了输入共栅管得跨导g i l l 的值，而噪声的大小又与 跨导成反比关系，这就限制了其噪声性能，使其的噪声比较大。文献 2 1 】中在3 1 1 0 6 频带内， 增益为1 5 d b ，最小噪声为3 2 d b ，但高频时噪声则大于7 5 d b 。 早期的超宽带低噪声放大器采用分布式实现陋2 3 1 。其有多条支路放大器构成，各条支路 是不同工作频率的窄带低噪声放大器，每条支路提供一定的增益，再将各条支路的增益相加， 实现宽带放大。但由于包含多条支路，使得这类放大器存在功耗大，面积大等缺点，另外其 噪声更是大于6 d b 。这些缺点是现代通信系统所难以接受的，也限制了其应用。 在传统带源极负反馈电感的共源共栅结构的输入、输出端，串联切比雪夫、巴特沃斯等 带通滤波器实现低噪声放大器的宽带匹配 2 4 , 2 5 1 。这结构的超宽带低噪声放大器较好的隔离度 堕丛皇量型垫奎堂堡主堂垡鲨窒 与稳定性，但其需要较多的电感，低品质因数的片上电感，不但耗费了大量面积，还带入了 较大的噪声。同时这种结构l n a 的增益也不够理想，如文献 2 6 】中，在2 3 9 2 g h z 带宽内， 其最小噪声系数为4 0 ，增益仅为9 3 d b 。 用负反馈方式实现超宽带匹配是近来超宽带低噪声放大器设计通常采用的技术【2 7 2 8 1 ，主 要包括电阻负反馈和有源负反馈。这类电路可以不使用电感等元件，电路可以在很宽的频带 内实现阻抗匹配，占用较小的版图面积，便于集成降低了成本；由于密勒效应，在输入阻抗 匹配的情况下，减小了反馈网络的噪声对电路噪声性能的影响；该结构还可通过两支路输出 电压的加减实现噪声抵消；负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 带宽 2 9 , 3 0 1 。文献 2 7 】中采用电阻负反馈实现了在0 - 6 g h z 频带内，增益为1 5 3 d b ，噪声仅为 3 4 d b ，版图面积0 0 1 7 r a m 2 。 采用变压器结构匹配也是近来宽带低噪声放大器研究的热点。改方式匹配的电路原理与 滤波器配偶的原理相似，但他通过用一点磁耦合电感，代替三个电感组合，可在实现宽带匹 配的前提下，使用较少的电感，节省了版图面积，得到了更好地噪声性能。a l im e a a m a r 等人 在文献【3 1 】中采用该方法设计的宽带低噪声放大器，在3 8 g h z 频带内，测试结果显示最大 增益为1 6 4 d b ，噪声为1 9 4 6 6 d b ，功耗仅为3 9 m w ，但其变压器两电感的感值较大，整个 芯片的面积仍然较大，为0 6 2 r a m 2 。 如表l 为近年各类超宽带低噪声放大器的研究成果。可以看出通过负反馈匹配的宽带低 噪声放大器，在不使用电感的情况下，能得到很好的噪声性能，是宽带低噪声放大器的发展 方向。 表lc m o su w b l n a 研究现状 论文发表及工艺噪声系数 增益功耗频率范围 其发表时间 c m o s ( i t m ) 结构 ( d b ) ( d b )( m ( g h z ) 【2 1 1 - 2 0 1 0 0 1 8 共栅 3 31 41 03 1 1 0 6 【2 2 - 2 0 0 5 o 1 8 分布式 4 2 6 2890 - 6 2 【2 3 - 2 0 0 8 0 1 3 分布式 3 31 23 0 3 9 4 【2 4 2 0 0 7 0 1 8 滤波器 3 9 - 4 61 21 0 53 1 1 0 6 【2 5 一2 0 0 9 0 1 8 滤波器 1 6 4 1 41 33 1 0 【2 6 1 - 2 0 0 4 o 1 8 滤波器 49 392 3 9 2 【2 7 - 2 0 0 7 0 0 9 负反馈 2 51 7 4 9 80 - 6 【2 8 1 - 2 0 1 0 o 1 3 负反馈 2 8 3 41 95 70 2 3 8 【3 2 1 2 0 0 6 o 2 5 负反馈 2 4 3 51 3 42 80 0 5 一o 8 6 【3 1 1 2 0 1 0 o 1 8变压器1 9 4 6 61 6 43 93 8 【3 3 1 2 0 0 6 0 1 8 其他 o 5 61 75 0 o 7 1 4 长期以来，国内对集成超宽带低噪声放大器的研究很少，而且主要集中在带通滤波器匹 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 配这类上，在负反馈匹配的超宽带l n a 上，廖友春、唐长文等人撰写的文献 3 2 】里，电压增 益为1 3 4 d b ，噪声系数在2 4 3 5 d b 间，但只有5 0 8 6 0 m h z 的带宽。今年清华大学王洪瑞博 士等人采用反馈匹配和噪声抵消技术设计的宽带低噪声放大器，在0 2 3 8 g h z 频带内，实现 增益1 9 d b ( 加b u f f e r 后，实际测得1 3 d b ) ，噪声2 8 3 4 d b ，功耗仅为5 7 d b 。这表明今年来 我国在用c m o s 工艺设计宽带、超宽带低噪声放大器方面有了长足进步，但与与国外相比， 我国在超宽带低噪声放大器设计成果相对较少，在其设计方面还有较大差距。 由于技术原因，目前国内外市场上还没有出现完全成熟的民用超宽带低噪声放大器，但 新的理论，新的结构不断出现，许多国外研究机构和通信公司不断发表论文，申请专利，以 便实现长期核心技术垄断，因此加快在宽带、超宽带低噪声放大器上的研究对我国在新一代 通信技术方面掌握主动权具有重要意义。 1 3 本文的主要研究内容 本论文对c m o s 低噪声放大器，特别是宽带、超宽带低噪声放大器做了深入调研，在 s m i c 0 1 8 1 a mc m o s 工艺上，用a d s 设计了一个2 4 g h z 单端输入差分输出的低噪声放大器： 同时在深入研究宽带、超宽带低噪声放大器的工作原理、设计方法，并基于i b m 9 0 n m r f c m o s 工艺，用c a d e n c ei c 6 1 0 设计了0 4 4 g h z 带宽的低噪声放大器；在此基础上对 0 4 4 g h z 带宽的低噪声放大器进行了改进，使其在其他指标变化不大的情况下，增益获得了 显著的提高。本文的具体内容概述如下： 第一章绪论：主要阐述了本课题的研究背景背景、意义、国内外研究现状，列出了宽带 低噪声放大器方面的主要实现方法及近几年国内外在一些研究成果。 第二章器件特性及噪声分析：介绍了射频集成电路中常见的m o s 晶体管、电容、电感 和电阻的主要结构、工作特性：分析了m o s 晶体管二端口网络的噪声特性。 第三章窄带低噪声放大器的分析与设计：主要介绍了窄带低噪声放大器的主要实现形式 源极电感负反馈，及在此基础上的发展改进结构。提出了一种工作于2 4 g h z 的单端输入 差分输出的低噪声放大器，分析了其工作原理及特性并给出了仿真结果。 第四章宽带低噪声放大器的主要实现结构：详细介绍分析了当今宽带低噪声放大器的主 要实现结构，工作原理及特点。 第五章宽带低噪声放大器的设计：设计了一种源极跟随器反馈结构宽带低噪声放大器， 分析了其阻抗匹配情况，增益及噪声性能，给出了后仿及测试结果。在此基础上又提出了一 种全新的改进结构来改善增益，并与之前未改进结构的仿真结果进行了对比。 第六章结束语：总结全文的主要工作。 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章器件特性及噪声分析 2 1 器件特性 与数字集成电路及模拟集成电路不同，射频集成电路不但需要用到有源器件，而且还要 一些高质量的无源器件，如电容、电感及电阻等。而由于集成电路工艺的限制，集成无源器 件的性能远低于分立器件，特别是在硅工艺里，衬底的绝缘性不是很好，片上螺旋电感的品 质因数较低。这使射频集成电路的性能受到了很大限制。 m o s f e t ( 金属氧化物半导体场效应管) ，其具有低功耗，低成本，集成度高，工艺成 熟等特点，首先在数字集成电路方面得到了广泛应用，而早前在射频领域都是用g e s i 和g a a s 工艺实现。这是由于化合物半导体工艺的有源器件具有高的电子迁移率、大的单位增益频、 低噪声率等特性，但其具有成本高，更重要的是其与产用c m o s 工艺的数字电路部分工艺不 兼容，无法实现单片集成。随着c m o s 工艺技术的不断进步，特别是器件等比缩小技术的发 展，c m o s 的性能不断提高，c m o s 射频集成电路将是未来的主流。 2 1 1m o s f e t 特性 对于m o s 晶体管是一种四端口器件，以n m o s 管为例，它的结构可以简单表示为图2 1 。 图2 1n m o s 结构图 若取n m o s 管源极的电势为的参考电势，漏极电流由栅，漏衬底的电位决定。衬底电势 通过衬底偏置效应影响阈值电压( v t h ) ，再依据栅源电压( v g s ) 、源漏( v o s ) 电压的不同， m o s 管可以三个不同工作区：截止区( v c s v t h ，v t r s v m ，v d s v d s a t ) 。 在n m o s 栅上加电压时，会形成一个到衬底的垂直电场，使其下衬底的能带向下弯曲， 在栅下半导体表面产生电子堆积，当栅上电压加到一定程度时，使衬底表面的电子( 少子) 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 浓度等于体内平衡多子( 空穴) 时，衬底表面发生强反型，此时加在栅上的电压称为阈值电 压。当栅极电压为零，源漏之间相当于两个背靠背的二极管，此时源漏之间不能产生电流。 当在栅极上加一个电压v g s ，其大小等于阈值电压时，p 型衬底表面发生强反型，形成一个连 通盯源区与盯漏区的n 型沟道，当在源极和漏极间加上电压v d s 后，沟道中就会形成一电 场，沟道中载流子在两场作用下发生漂移，也就是源漏间产生了电流。 在线性区，漏电流的大小表达式为 i d s 砒c 似w ( v o s - ) v d s 一单】( 2 - 1 ) 其是一个开e 1 向下的抛物线，在v g s v t l l = v d s 时( 在沟道刚好夹断时) ，漏极电流达到最大值。 上式中，u 。为电子迁移率，c 。x 为栅氧化层单位面积电容，v t l l 为m o s 管的阈值电压，l 与w 分别为m o s 管栅的长度与宽度。 在饱和区，对于长沟道器件而言，漏电流不会因源漏电压v d s 的变化而变化，从线性区 刚进饱和区时( v g s v t h = v d s 时) 的漏电流一样。因此，长沟道器件，饱和区的漏电流可表示 为 1w i d s = 寺p 。c 。 ( v g s 一) 2 ( 2 2 ) 其跨导可表示为 g m ：挚：p 。c 。w ( v g s - ) ( 2 - 3 ) d v g s 。 对于短沟道器件，当漏端的电压增大时，强反型的沟道长度将减小( 短沟道效应) ，同时随着 沟道的缩短，沟道电阻也将随之减小，而沟道上的压降v d s a t 不变，仍然是v d s a t = v g s v t i l ，因此 沟道中的电流也会随着源漏电压v d s 的增加而增加，而不再是保持恒定( 沟道调制效应) 。沟 道电流可近似表示为： 1w i d 去。c 。 二- ( v 0 s v l i i ) 2 ( 1 + 九v 击) ( 2 - 4 ) 式中九为沟道调制系数。其跨导可表示为 g 。= 急= p 。c 。i w ( v g s u ) ( 1 + 九v d s ) ( 2 5 ) 在饱和区，短沟道器件可以看作是由一个不考虑沟道调制效应的器件与一个电阻r o 的并 联构成，如图2 2 所示。 图2 2 短沟道器件模型 7 堕型皇量型垫奎堂堡主兰焦堡茎 其中 r o = 去九“。c 仳( v g s v o ) 2 = ( 2 - 6 ) 九i d s 、 此外，在衬底与源极间加上一偏压v b s 后，m o s f e t 的阈值电压将会发生变化，这就是 著名的衬底偏置效应，或体效应。与长沟道器件相比，短沟道器件的阈值电压还与m o s 管 的几何尺寸相关，特别是在纳米器件，其阂值电压会随m o s 的栅长发生剧烈变化。 2 1 2 电容特性 在射频c m o s 工艺中，常见的电容包括p n 结电容、m o s 电容、m i m 电容互和联线电 容等。p n 结电容可由n 型有源区和p 型衬底、p 型有源区和n 阱、n 阱个p 型衬底构成。 当p n 结上加反向偏压时，其电容值可表示为： c j 若知 ( 2 - 7 ) 式中，c j o 为p n 结零偏时的电容量，v f 为加在p n 结两端的电压，巾为p n 结的内建电势差， n 为与p n 结掺杂情况相关的系数；当p n 结两端加正向偏压时，p n 结为一个扩散电容，电 容量为零偏是电容量的2 到3 倍【2 1 。 m o s 电容由栅，氧化绝缘层和衬底构成。在栅极加电压v g 后一部分电压v o 降在氧化层 上，另一部分v 。在衬底表面。绝缘层中的电场可表示为 e o = v o d o( 2 - 8 ) 式中d o 为氧化层厚度。由高斯定理可得栅极面电荷密度q m 与氧化层间的关系为： v 0 ：e 。d 。：q m d o ( 2 - 9 ) 式中，o 为真空绝对介电常数，o = 8 8 5 x 1 0 - 1 2 f m ，f o 为氧化层的相对介电常数。由v 。 引起的衬底的电子变化量定义为q 。，其大小与q m 相同，符号相反。 c 2 鬻2 五丽- d q s 2 甄- d q s ( 2 - l o ) d v jd v j + d v l 一皇堡苎- + 一v 、7 令： c 。一等 ( 2 - 1 1 ) 可得 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 c 2 卉 ( 2 - 1 2 ) c o c s 式中c o = e r o e o d o ，为氧化层的单位面电容。可见m o s 电容相当于氧化层电容c o 与衬底内空 间电荷层电容c 。的串联 3 7 1 。经证明，n m o s 的电容与电压间存在着特定的关系，n m o s 电 容电压特性如图2 3 所示。 图2 3 n m o s 电容电压曲线 在强反型区( 大v g ) 时，衬底表面形成导电沟道，沟道内堆积大量自由电子，如同只有 氧化层电容c o 一样。但这只适用于低频情况下，当输入信号为射频信号时，反型层中的电子 的产生与复合跟不上信号的变化，反型层中的自由电子数量不随着信号的变化而变化。由此 可见，此时沟道中的电子对m o s 电容没有贡献。 m i m ( m e t a li n s u l a t o rm e t a l ) 电容，它实际上式一个平板电容，其一般由工艺中提供的最 顶层金属与插在最上两侧金属之间的特殊金属层，并在这两层金属间填充高介电常数的绝缘 材料构成。m i m 电容的两层金属可以靠的很近，中间的绝缘材料的介电常数可以很高，根据 c o = e 州s o d o ，电容的密度可以做的很高，其寄生效应也较小，是射频c m o s 工艺中，一种性 能非常优良的电容。 2 1 3 电感特性 电感是射频电路中的一种关键元件，它在阻抗匹配，负载网络，实现低噪声等方面都有 着重要的意义。使电感集成在芯片内，可有效降低成本，减小外围匹配电路，提高电路集成 度。射频集成电路中常用的电感主要有片上螺旋电感和键合线电感。 片上螺旋电感是由金属线在硅衬底上绕制而成，但其往往品质因数较差，自谐振频率较 低等缺点，其原因主要有以下几方面： 1 、形成电感的金属线有限的电导率引起的损耗，高频时由于趋肤效应和其他磁场效应使 得这种更加严重； 9 堕型皇量型垫奎堂堡主