（电路与系统专业论文）一种cmos射频低噪声放大器的设计.pdf

贵州人学2 0 0 8 届硕j ：研究生学位论文 摘要 随着无线通信技术和c m o s 工艺的不断发展，采用c m o s 工艺实现射频集 成电路能够做到低成本、低功耗、高集成度的要求，本文将采用c m o s 工艺对 无线射频前端电路中的一个重要模块一低噪声放大器进行设计，设计要求低噪声 放大器应当具有低噪声、低功耗、阻抗匹配、高线性度的特点。 由于c m o s 无源器件极大地影响着射频集成电路的性能，本文首先讨论了 在t s m c 0 1 8 p mc m o s 工艺下的无源器件，同时本文基于m o s f e t 的噪声源及 短沟道器件的物理效应，系统分析了低噪声放大器的噪声性能，详细研究了漏极 电流噪声和栅极感应噪声，通过对m o s f e t 的噪声分析，提出了m o s f e t 高频 噪声模型，并分析m o s f e t 的各个噪声源对于电感源极负反馈低噪声放大器的 影响并得到了计算其噪声系数的表达式。本文还对低噪声放大器的非线性进行分 析，并利用v o l t e r r a 级数分析了共源极放大器的非线性，定性地指出低噪声放大 器设计中功耗、噪声、增益和线性度之间存在的制约关系。 本文通过分析各种低噪声放大器的结构，指出共源共栅电感源极负反馈结构 相比较其他结构的优点，详细分析了共源共栅电感源极负反馈结构的噪声性能， 提出了在低噪声放大器的设计中，需要在噪声系数、功耗和栅过载电压之间折中 考虑，基于以上分析，本文讨论了共源共栅电感源极负反馈结构的噪声优化技术， 其中重点讨论了在功耗约束的情况下的噪声优化技术。 最后基于蓝牙通信的应用，本文采用了t s m c0 1 8 u m 工艺设计了一个工作 频率在2 4 5 g h z 的单端结构低噪声放大器，该放大器的噪声系数为2 3 7 5 d b ，三阶 交调点为8 4 8 d b m ，对于1 8 v 供电电压，功耗为9 8 m w ，这个结果表明，提出的 理论分析可以较为精确的预测低噪声放大器的噪声性能。 关键词：c m o s ；低噪声放大器：噪声系数；非线性；共源共栅电感源极负反馈结 构；噪声系数优化 i i i 贵州大学2 0 0 8 届硕上研究生学位论文 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 na n dt h ec m o st e c h n o l o g y , u s e st h e c m o st e c h n o l o g yt oi m p l e m e n tt h er 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 tt ob ea b l et oa c h i e v el o w c o s t ，l o wp o w e r , h i 曲i n t e g r a t i o n t h i st h e s i sd e s i g n sa ni m p o r t a n tm o d u l ei nr ff r o n t - e n d c i c u i t l o wn o i s ea m p l i f i e rb a s e do nc m o st e c h n o l o g y , a n dt h el o wn o i s ea m p l i f i e rr e q u i r e dt ob e t h el o wn o i s ea n dh i g h l yl i n e a r , t h ei m p e d a n c em a t c h i n g ，t h el o wp o w e rd i s s i p a t i o n b e c a u s eo ft h ep e r f o r m a n c eo ft h er fi n t e g r a t e dc i r c u i t si ss t r o n g l yc o n n e c t e dw i t ht h e q u a l i t yo fp a s s i v ee l e m e n t s s ot h ec m o sp a s s i v ee l e m e n t si nt s m co 18 u mp r o c e s sa r e d i s c u s s e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h en o i s ec o m p o n e n t so fm o s f e ta n di t ss h o r t - c h a n n e le f f e c t ， t h el o wn o i s ea m p l i f i e rn o i s ep e r f o r m a n c eh a sb e e na n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y , b o t l ld r a i nc u r r e n t n o i s ea n di n d u c e dg a t ec u r r e n tn o i s ea r es t u d i e di nd e t a i l w i t ht h ea n a l y s i so fn o i s e ，t h eh i g h f r e q u e n c yn o i s em o d e lo fm o s f e ti sp r o p o s e d ，t h ec o n t r i b u t i o no fd i f f e r e n tn o i s ec o m p o n e n t so f m o s f e t st ot h en o i s ef i g u r eo ft h ei n d u c t i v e l ys o u r c e - d e g e n e r a t e dl o wn o i s ea m p l i f i e ri s c a l c u l a t e da n dt h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o no ft h en o i s ef i g u r ei sd e r i v e d n o n l i n e a ri n f l u e n c e si n l o wn o i s ea m p l i f i e ra r ea l s oc o n s i d e r e d ，b a s e do nt h ev o l t e r r as e r i e s ，t h en o n l i n e a r i t yo f c o m m o n - s o u r c ea m p l i f i e ra r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y , a n dt h er e s t r i c tr e l a t i o n sb e t w e e nt h e p o w e rc o n s u m p t i o n ，t h en o i s e ，t h eg a i na n dt h el i n e 冠r i t yi nt h el o wn o i s ea m p l i f i e rd e s i g na r e d i s c o v e r e d s e v e r a lk i n d so fc i r c u i ts t r u c t u r ea r cd i s c u s s e di nt h i st h e s i s ，a n dt h ea d v a n t a g e so f i n d u c t i v e l yd e g e n e r a t ec a s c o d et o p o l o g ya l ep o i n t e do u tw i t ht h ec o m p a r i s o no fo t h e rc i r c u i t s t r u c t u r e s i t sn o i s ep e r f o r m a n c ea r ca n a l y z e d ，au s e f u li n d i c a t i o nt ot h ed e s i g nt r a d e o f f s a s s o c i a t e d 、加t 1 1n o i s ef i g u r e p o w e rd i s s i p a t i o na n dg a t eo v e r d r i v ev o l t a g ef o rt h el n ad e s i g na r e p r o p o s e d b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h et h e s i sd i s c u s s e sn o i s ef i g u r eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e s f o r i n d u c t i v e l yd e g e n e r a t e d c a s c a d el o wn o i s e a m p l i f i e r s ，t h ep o w e r - c o n s t r a i n e dn o i s e o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u ea r ed i s c u s s e de m p h a t i c a l l y f i n a l l y , t h et h e s i sp r e s e n t sa2 4 5 g h zs i n g l ee n d e dl o wn o i s ea m p l i f i e ru s i n g 0 18 , u r n c m o sp r o c e s sf o rab h e t o o t hl n aa p p l i c a t i o n ，t h ea m p l i f i e rp r o v i d e sa2 3 7 5 d bn o i s ef i g u r e 贵州大学2 0 0 8 届硕二l 研究生学位论文 w i t ha - 8 4 8 d b mt h i r d - o r d e ri n p u ti n t e r c e p tp o i n t ，w h i l ed r a w i n g 9 8 m wf r o m1 8 vp o w e rs u p p l y ，t h er e s u l ts h o wt h a tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sc a na c c u r a t e l y p r e d i c tt h en o i s ep e r f o r m a n c eo fal o wn o i s ea m p l i f i e rd e s i g n k e y w o r d s ：c m o s ；l o wn o i s ea m p l i f i e r ；n o i s ef i g u r e ；n o n l i n e a r ； i n d u c t i v e l ys o u r c e - d e g e n e r a t i o nc a s c o d et o p o l o g y ；n o i s ef i g u r eo p t i m i z a t i o n v 贵州大学2 0 0 8 届硕：j ：研究生学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。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科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：2 q q 窭叠月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权贵州大学可以将本学位论 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) kp、| 17 论文作者签名：衄导师签名：彳壶丘匾日期：2 q q 生兰旦 贵州大学2 0 0 8 届硕一 ：研究生学位论文 1 1 课题意义 第一章绪论 近年来，无线通信技术已经深入到人们生活的各个领域，如高速语音、数据、 图文与图像传输、蜂窝式个人通信、全球卫星定位系统、无线局域网、蓝牙协议 ( b l u e t o o t h ) 、卫星直播电视、多媒体移动接入通信系统等等。由于无线通讯系 统的蓬勃发展，使无线通讯系统中的关键模块射频集成电路，成为当i j 的研 究热点。 目前，集成电路工艺主要有：砷化镓( g a a s ) i 艺、硅双极型工艺( b i p o l a r ) 和 硅基互补金属氧化物( c o m p l e m e n t a r y - m e n t a l o x i d es i l i c o n ，c m o s ) 工艺等。在 传统的射频集成电路中，一般采用砷化镓工艺和硅双极型工艺，其中应用最广泛、 最成熟的技术是砷化镓工艺。砷化镓材料具备了载流子迁移率高、衬底半绝缘以 及禁带较宽等特征，因此用它制成的集成电路具有频率高、功耗低、速度快等优 点，它的缺点是材料缺陷较多，成本较高，不能集成低压大规模数字i c 和d a 转 换器，因此砷化镓工艺集成规模有限，不适合系统集成的要求。当前，c m o s 技 术依然遵循摩尔定律向前发展，采用c m o s 工艺实现射频集成电路主要基于以下 考虑【l 】- 【3 】：首先是由于激烈的市场竞争，通讯系统对射频i c 不断提出低成本、低 功耗、高性能的要求，而c m o s 工艺具有这样的优势，在这种竞争趋势的推动下， 射频集成电路的技术会沿着和数字i c 一样的发展道路，最终选择c m o s 工艺来实 现射频集成电路；其次是由于绝大多数无线通信中完成编解码和调制解调算法的 数字模块都是采用c m o s 工艺实现的，为了将无线射频前端与数字模块集成，做 成片上系统( s y s t e m o n a - c h i p ，s o c ) ，因此采用c m o st 艺实现射频前端电路成 为一种合理的选择；同时由于c m o s 工艺的不断发展，硅基金属氧化物场效应管 ( m o s f e t ) 的截止频率已经达至l j l 0 0 g h z 4 1 ，使它在高频运用上有不错的特性， 因此采用c m o s 工艺替代传统的双极型或砷化镓工艺实现射频电路成为可能。因 此采用c m o s 工艺实现射频集成电路非常具有吸引力。 本文主要研究射频接收前端电路中的重要模块一低噪声放大器。低噪声放大 器作为接收机的第一级，它的功能是在产生尽可能低噪声的前提下，对射频信号 贵州火学2 0 0 8 届硕士研究生学位论文 进行放大以降低后面各级模块产生的噪声对信号的影响，低噪声放大器除了应该 引入很少的噪声和提供足够高的增益外，还应该具有较高的线性度以避免非线性 对信号质量的影响，另外，低噪声放大器的前级通常为分立的射频带通滤波器， 由于滤波器的传输特性与终端所接负载有很大关系，所以低噪声放大器的输入阻 抗还必须与滤波器的阻抗匹配。因此作为无线接收机的重要模块，低噪声放大器 决定了整个接收端的噪声特性，只有使其前端噪声足够低，有较宽的动态范围、 保持足够的增益和良好的阻抗匹配，才能保证整个系统的最佳性能。因此设计良 好的低噪声放大器对无线通信接收系统极为重要。 1 2 无线射频前端结构概述 无线通信设备通常是由发射模块和接收模块两部分组成的，其中接收模块是 收发器中的主要部分。由于传输途径上的损耗和多径效应，接收机的信号是微弱 而多变的，并伴随着许多干扰，这些干扰信号的强度往往大于有用信号，因此接 收模块的主要指标是灵敏度和选择性。接收机常见的结构有：超外差式接收、零 中频接收。 无线接收机中经典的结构是超外差接收方式，如图1 1 所示。这种接收方式 可以选择一次变频方案和双变频方案。一次变频方案是把射频信号直接变换中 频，再在中频进行带通滤波、信号放大等处理，在一次变频方案中，本地振荡频 率通常选择为高边带注入，这样可以减小本地振荡器所需要满足的最大振荡频率 和最小振荡频率的比值，从而简化振荡器的设计。在一次变频方案中存在镜像抑 制问题，解决镜像抑制的一种办法是使用上变频方案，这种方法可以减轻镜像信 号的干扰，同时还可以减小本地振荡信号所需满足的调谐范围比值，因此采用上 变频方案可以降低本地振荡器和滤波器的性能要求，但是它对中频链路中的组件 提出了更高的要求，同时对线性度的要求也提高了。而双变频方案则是通过使用 两个中频频率来获得上变频和下变频两种结构的优点，这种方法在第一个混频器 产生高中频以应对镜像抑制问题，而第二个混频器选择低中频则有利于缓解信道 选择问题。无论是一次变频方案还是双变频方案，超外差式接收机的最大缺点是 干扰较为严重，这是凶为混频器是一个非线性器件，会引入大量交调分量，凶此 对滤波器的要求非常高，同时超外差式接收机的另一个问题是存在镜像频率干扰 贵州人学2 0 0 8 届顾十研究生学位论文 问题。 图1 1 超外差式接收机结构 近年来被广泛讨论的结构为零中频接收机( 直接变频接收机) ，如图1 2 所 示。零中频接收机使用下变频结构，它让本振频率等于载频，将载频直接下变频 为基频，由于信号和它的镜像相差两个中频，因此一个零中频意味着所需要的信 号就是其本身的镜像，从本质上说没有需要抑制的信号，因此不需要前端的抑制 滤波器，这使得在系统的整合上更加容易。但是如果采用零中频方案，会包含直 流失调和闪烁噪声的影响，另外对前端的线性度要求也有所提高，同时由于本地 振荡信号频率和射频输入信号频率相同，因此本振信号的能量很容易泄漏到天线 并辐射出去，形成对邻道的干扰。因此零中频接收机需要线性度良好的低噪声放 大器和混频器，同时要使两个本地振荡信号极好的隔离，以及将直流失调和闪烁 噪声良好控制的方法。 图1 2 零中频接收机结构 发射模块就是相应接收模块结构的反向，典型的超外差式发射机的结构图如 图1 3 所示，它将一个低频信号逐级调制到射频信号，并且要有足够的发射功率。 发射模块发射高频放大功率信号，应当尽量减少其对邻道的干扰，为了减少对滤 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生学位论义 波的要求，可以使用直接上变频发射机，但是这种结构会产生来自功放对本地振 荡信号的干扰，同时如果采用频率合成器取代工作在射频载波频率下的本地振荡 信号，那么功放的反馈干扰会大幅度减弱，关于发射机与接收机的具体讨论可参 考文献引。 璃鬻骏是攀 图1 3 超外差式发射机 从接收机的电路方框图可以看出，低噪声放大器是射频通信系统中的重要模 块，低噪声放大器的噪声系数对整个系统起决定性的作用，本文研究的目的就是 对这个模块进行分析研究和优化。 1 3c m o s 低噪声放大器的性能指标 低噪声放大器( l o wn o i s ea m p l i f i e r 简称l n a ) 是射频接收前端的主要组成部 分。它位于接收前端的第一级，直接与天线信号相连。由于其位于接收前端第一 级，所以它的噪声特性将大大影响整个系统的噪声性能。同时天线下来的信号一 般较弱，所以低噪放本身的噪声特性所引起的灵敏度将影响到是否能正确接收信 号，并把有用信号完整的传输到下一级。低噪放的主要性能指标要求如下： ( 1 ) 放大增益低噪声放大器首先必须提供足够的放大增益。这是因为射频接 收机的接收信号一般都衰减了很大，如果放大增益不够大，那么后端的处理会很 困难。其次，低噪放还要保证其放大增益不超过后端器件的线性范围，如果低噪 放的增益过大，就会使得放大后的信号超过了混频器的线性范围，从而造成失真。 一般来说，低噪放的放大增益在1 0 2 2 d b 之间。 ( 2 ) l l 集声系数低噪放的噪声系数自然是越低越好。低噪放的噪声系数一般应 小于6 d b 。对于同一种设计噪声系数随着工作频率的上升而增大。事实上，噪声 4 贵州大学2 0 0 8 届硕：t 研究生学位论文 系数是不可能无限小的，对于共栅型c m o s 低噪放，理论上最小的噪声系数为 2 2 d b ，而且，最小噪声系数与最大增益是不可能同时得到的。 ( 3 ) 三阶交调截点i i p 3 ( 定义为三阶互调功率和基波功率相等时的输入功率) i i p 3 是描述低噪放三次交调失真度的一个指标，i i p 3 越大，说明低噪放抵抗三次 交调失真的能力越强。一般要求r f 低噪放的i i p 3 大于1 0 d b m 。 ( 4 ) 功耗功耗是与供电电压和供电电流的大小紧密相关的，在保证其他性能 前提下，功耗越低，供电电压越低，低噪放的性能越好。一般要求低噪放的功耗 控制在2 0 m w 以下，供电电压控制在3 v 以下。 ( 5 ) 作为放大器，必须满足稳定性的要求，以使低噪放不至于振荡而失去放 大功能，同时还需要满足如增益平坦度，反向隔离等性能。 一般来说，最关键的指标是噪声系数，其次是增益，功耗和线性度。因此， 如何在低功耗条件下，在保证低噪放的线性度和增益的前提下，尽可能的提高低 噪声放大器的噪声性能，从而提高接收机灵敏度，成为设计中的最大挑战。 1 4 本文的研究内容及工作安排 本文主要研究射频低噪卢放大器的设计，研究内容及工作安排如下： 第一章重点讨论了采用c m o s 工艺实现低噪声放大器的原因，以及无线收 发机的系统结构原理，并说明研究射频低噪声放大器的意义及其性能指标。 第二章讨论了c m o s 射频集成电路中的无源器件，对t s m c 0 1 8 , t t m 工艺下 的电感、电容和电阻进行了讨论，指出无源器件对于射频集成电路设计的重要性。 第三章分析m o s f e t 的各种物理效应，通过对m o s f e t 的结构分析和其噪 声分析，建立了适合设计的m o s f e t 的高频噪声模型。 第四章对低噪声放大器的设计中需要考虑的非线性进行了理论分析，定性地 指出在低噪声放大器设计中存在着功耗、噪声优化、增益和线性度之间存在的制 约关系，同时利用v o l t e r r a 级数分析了共源极跨导的三阶交调表达式。 第五章通过对各种结构的低噪声放大器的分析比较，选择了共源共栅源级负 反馈结构作为低噪声放大器设计结构，并对其噪声系数和功耗进行了详尽讨论和 分析，提出了噪声优化的方法，并利用功耗约束下的噪声优化方法设计了一个共 源共栅结构的低噪声放大器，并对其进行仿真，对仿真结果进行了讨论。 5 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生学位论文 第六章对本文的前几章进行工作总结，并对未完成的工作和低噪声放大器的 发展趋势进行讨沦。 6 贵州大学2 0 0 8 届硕十研究生学位论文 第二章c m o s 无源器件 射频( r a d i of r e q u e n c y , r f ) 集成电路包含许多无源器件，由于工艺上的限 制，只能得到品质较差的无源器件，例如较大值的电感会占用很大一部分芯片面 积，同时它还具有较差的品质因子和较低的自谐振频率。虽然低温度系数和高品 质因子的电容可以实现，但是它的寄生效应不能忽略，因此精度较差，对于电阻 而言，很难得到具有低温度系数和低寄生电容的电阻。因此在射频集成电路的设 计中，无源器件严重影响着电路的性能。本文采用的是t s m c ( t a i w a n s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gc o m p a n y , 台湾积体电路制造公司) o 1 8 a m - i - 艺对低 噪声放大器进行设计，较为成熟的t s m c o 1 8 p m 为模拟r f 设计进行了优化， 它能制作出高q 值得电感和电容，因此充分了解t s m c 0 1 8 p m 工艺的射频无源 器件模型，对整个设计至关重要。 2 1 电感 在射频集成电路中，缺乏高品质的电感是至今标准i c 工艺最明显的缺陷， 虽然采用有源电路可以综合得到等效电感，但是这种方法得到的电感通常具有较 高的噪声、失真及功耗。目前广泛使用的是片上电感是平面螺旋电感，片上螺旋 电感模型如图2 1 所示，该模型是对称的，尽管实际的螺旋电感并不对称，但大 多数情况下，由此引起的误差可以忽略。片上平面螺旋电感可以有不同的形状， 通常平面螺旋电感的实现方式是最顶层金属层作为电感主要部分，并用某一较低 的金属层作为底下的穿连线连到螺旋电感的中心，平面螺旋电感与其尺寸和形状 有着复杂的函数关系，求解起来较为困难，可以通过给定的工艺库，对平面螺旋 电感进行仿真，从而得到适合设计的平面螺旋电感，电感参数也能够通过利用工 艺库中给定的电感模型计算得到，通常电感的最大q 值及自谐振频率与电感值 成反比，同时增加线圈数会降低品质因子和自谐振频率，因此在设计中应当用尽 可能少的线圈数。 7 贵州大学2 0 0 8 届硕：士：研究生学位论文 图2 1 片上螺旋电感模型 片上螺旋电感会占用较大的芯片面积，由于在射频时趋肤效应的影响，它还 具有较大的损耗，除了串联电阻的损耗外，片上螺旋电感与衬底间的电容也是一 个重要问题，平板电容器会与电感一起谐振，这个l c 组合的谐振频率限制了该 电感的最高可用频率，使电感失去了可用性，同时也降低了q 值，使能量被耦 合到有损衬底中。 在模型2 1 中，串联电阻足正比于绕组的总长度，反比于互连线的宽度以及 趋肤深度，并联电容c 。正比于线圈数和互连线宽度的平方，以及电感底下穿越 线与主螺旋绕组之间的电容值，e ，是螺旋电感与衬底之间的电容，它以一个平 板电容来表示，r 代表了衬底的介质损耗，c l 反映了衬底电容以及其他与电感 相关的电抗效应。电感q 值的优化可以通过移去螺旋电感最内部的匝数以提高q 值，同时还可以通过图案化接地屏蔽( p a t t e r n e dg r o u ds h i e l d ，p g s ) 【6 1 方法提高 电感q 值，图案化接地屏蔽可以阻止与有损衬底之间的容性耦合，同时还避免 了磁通量的短路，这种屏蔽还大大减小了从衬底到电感的噪声耦合，但是其代价 是降低了电感的自谐振频率，若电感是由远离屏蔽层的金属层制成，那么这个代 价是可以接受的。 在t s m c0 1 8 t m 工艺中，提供了三种类型的电感片上平面螺旋模型，即 s t a n d a r d ( s t d ) ，s y m m e t r i c ( s y m ) ，s y m m e t r i cw i t hc e n t e rt a p ( s y m c t ) 其中s y m 模型在电学上是对称的，如图2 2 所示，适合差分结构的电路设计。 贵州人学2 0 0 8 届硕： ：研究生学位论文 c 1 2 c 日 二 l 之 兄 = = e n。3 宁 e 砣= 辛 一昏2 fi t 图2 2 s y m 电感等效电路 在图2 2 中，厶和厶为自感系数，m 为互感系数，蜀和r 为串联电阻，c l ： 为两个端1 3 间的耦合电容，c o , 为会属与衬底问的氧化层电容，足曲和c s 。为硅衬 底电阻和电容，乞和足为金属层趋肤效应的电感和电阻。 2 2m i m 电容 在t s m c 0 1 8 , u m 工艺中，有三种类型的电容，分别为m i m ( m e t a li n s u l a t o r m e t a l ) 电容，n m o s 电容和p m o s 电容。m i m 电容结构如图2 3 所示。m i m 电 容通常位于器件的第四层至第六层，由m e t a l 4 、c t m 层以及中间的绝缘层组成。 在2 3 c o ) m i m 电容等效电路中，c 为主要的元件，t 和r 端口相应的寄生产物， 和r ，分别是金属导线与衬底的寄生电容和寄生电阻。 c 壤芒珀卜，是 三二 口 吉 ( a ) m i m 电容横截面示意图( b ) m i m 电容等效电路模型 图2 3m i m 电容结构图 m i m 电容的值为： c ：e o e ，a ( 2 1 ) d 9 贵州大学2 0 0 8 属硕士研究生学位论文 其中岛为真空的介电常数，s ，为相对介电常数，根据图2 3 ( a ) ，a 为平板面积， d 为平板间的距离。 在射频电路应用中，良好的电容应当具有低电压系数，好的电容匹配，较小 的寄生参数以及精确的值的控制。在传统的平板电容罩，底板的寄生参数可能占 到总电容值得1 0 3 0 ，从而降低了电路的性能。由于m i m 电容比m o s 电容具 有更小的寄生效应，同时有较好的线性度、q 值以及较高的动态范围，因此它在 射频集成电路中应用非常广泛，本文设计中用到的电容均为m i m 电容。 2 3 电阻 在标准的c m o s 工艺中，选择适宜的电阻余地不大。一种可能是采用多晶 硅互连材料，因为它比金属的电阻率更大，现在大多数多晶硅互连材料都采用专 门的金属硅化( s i l i c i d e ) t 艺来降低阻值，硅化的多晶通常具有较差的精度，并且 它的温度系数( t c ) 取决于掺杂和组成成分，通常在1 0 0 0 p p m 。c ，未硅化的多晶 通常具有较高的电阻值，而且其精度很差。多晶电阻除了有较低的温度系数以外， 还具有单位面积相对较低的寄生电容以及在c m o s 工艺中所能采用的电阻材料 中最小的电压系数。用源漏的扩散区也可以做成电阻，它的电阻率和温度系数通 常类似于硅化多晶硅，重掺杂时可以得到更低的温度系数，但同时也存在较大的 寄生电容和显著的电压系数，阱也可以用来做成高值电阻，但是阱和衬底的p n 结使寄生电容很大，所形成的电阻具有很差的精度以及较高的温度系数。m o s 晶体管也可以做成电阻，但是m o s 管工作在线性工作区的交流小信号电阻本身 的特性就说明其具有很差的精度和很高的温度系数。 t s m c 0 1 8 , u m 工艺提供的r f 电阻有3 种类型，分别为：p + p o l yw i t h s i l i c i d e ( s a ) 、p o l yw i t h o u ts i l i c i d e ( r p o ) 矛lh r i ，它们的阻值由小到大，图2 4 为 h r i 电阻的等效电路。 墨足r足 图2 4 h r i 电阻等效电路 1 0 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生学位论文 2 4 本章小结 本章对c m o s 射频电路中的无源元件作了简要介绍，对t s m c o 1 8 , u r n 工艺下 的无源器件模型进行了讨论，从中可以看到各种元件模型在电路设计中起着非常 重要的作用，精确的元件模型是成功设计电路的关键，同时在这些模型中都存在 着适用于不同精度的公式，从而减少了通过求解电磁场进行分析的需要。由于各 种难以预计的寄生效应的存在和工艺、测量上的差异，各种模型都存在一定的误 差，因此在电路仿真时需综合考虑这些因素带来的影响。 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生学位论立 第三章m o s f e t 设计模型及噪声分析 低噪声放大器的噪声特性决定了接个接收通道对弱信号放大、解调的能力， 因此精确模拟电路中各元件产生的噪声、估算系统输出端的噪声对于电路设计非 常重要。随着深亚微米工艺应用于模拟射频集成电路设计，m o s f e t 的高频噪声 特性显得非常重要。 当m o s f e t 工作在高频段时，由器件本身产生的噪声是射频电路低噪声设 计中重点考虑的参娄站在深亚微米条件下m o s f e t 噪声建模是目前研究的重点。 本章首先回顾m o s f e t 器件的物理特性，然后讨硷在深亚微米条件下m o s f e t 的一些物理效应，通过分析m o s f e t 中包含的噪声源和对二端口网络的噪声分 析，提出了m o s f e t 的高频噪声模型，并将通过此模型来分析l n a 的电路增益、 噪声和非线性等性能指标，预测电路的仿真结果，从而找到满足设计指标的最优 解。 3 1m o s f e t 中的一阶效应 ms ? r 一” 笔觯 图3 1 n m o s 结构图 对于n 沟道m o s f e t ，其结构如图31 所示，在其漏极和源极之间加上偏置 电压v ，则在源漏之间将形成沟道，同时沿着沟道存在压降，电子沿沟道方向的浓 度可以写成f 7 】： q ，( y ) = 吒既v ( y ) _ ( 31 ) 其中c 0 为栅氧化层的单位面积电容值，y ( ，) 为距离源极y 处沿沟道的址降，r 为丌启电压。由于 贵州人学2 0 0 8 届硕l ：研究生学位论文 c l t ：立 v dc y ) 屹) 是电子距离源极y 处的电子漂移速度，根据 d q = q ! w d y 形为沟道宽度，由( 3 2 ) 和( 3 3 ) 可以得到： 厶= 嵫( j ，) 屹( y ) 当横向水平电场较小时候，电子的漂移速度j 下比于电场强度： v d ( y ) = 以占( y ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 其中以代表电子的漂移速度，这里认为常量，s ( y ) 代表水平电场强度。由于 毗，= 芳 ( 3 6 ) d v 为距离源极y 处的沟道电压降，将( 3 1 ) ，( 3 5 ) 和( 3 6 ) 代入式( 3 4 ) 可 以得到： 护暇吁肚芳 ( 3 7 ) 分离变量并积分得： 互厶咖= r 一矿一k 】以d 矿 ( 3 8 ) 可以得到： 厶= 了k i w 【2 ( 名一k ) 一喙】 ( 3 9 ) 这罩 k ：以q = 监 ( 3 1 0 ) l o x 这是长沟道器件普遍适用的公式。当器件工作在线性区是，( 3 1 0 ) 很好地说明 了漏源电压与沟道电流的关系。当漏源电压吆大于( 一k ) 时，即 i i l e , ，) ( 3 2 1 ) 载流子速度下降到根据弱场迁移率外推出的值得一半时的电场强度。 m o s f e t 中载流子速度饱和时的电流为： 厶= w c o x ( v , , 吲比m + 丧】_ i ( 3 2 2 ) 如果伽。去，式( 3 2 2 ) 可以写作： 厶= 三以g 詈吃击 ( 3 2 3 ) 对于特定的工艺，0 可以认为是常数，这样只需要确定口就可以表征短沟道器件 中的谏府饷和靳府 3 3 2 热载流子效应 短沟道器件在中等的偏压下会产生很大的横向电场，虽然在强电场时，载 流子平均速度达到饱和，但载流子瞬时速度会不断增大，特别是在接近漏端达到 很大的动能，这些载流子被称为热电子，结果在漏极附近，热载流子以极高的速 度撞击硅原子发生碰撞电离，产生电子空穴对，电子流向漏极，空穴流向衬底 形成衬底电流，如果载流子能量足够高，会注入栅氧中，形成栅电流，栅电流电 荷会在氧化层中被捕获，引起n m o s 器件阀值电压增加。随着工艺尺寸按比例 减小，应使热载流子效应降至最小，从而需按比例减小电源电压。 3 3 3 阀值电压下降 较高的漏电压会使沟道长度缩短，当沟道长度较小时，与漏极电压相应的 1 7 贵州大学2 0 0 8 届硕1 ：研究生学位论文 电场可以向源极延伸得足够远，使有效的阀值逐渐降低，漏电流增大，这一漏极 感应势垒的下降( d i b l ，d r a i ni n d u c e db a r r i e rl o w e r ) 可以引起亚阀值电流大大 增加，它还导致输出电导变差，同时引起输出阻抗的下降。 3 4 射频下m o s f e t 特性 在频率很高的情况下，m o s f e t 的版图和尺寸是决定电路性能的重要因素， 因为在几十g h z 的频率下，m o s f e t 不再被看成是集总元件，对于m o s f e t 的 版图和尺寸大小，其寄生电容、跨导以及阻抗均属于分布参数系统，因此m o s f e t 在很高频率下的分布特性对于低噪声放大器的设计十分重要。 3 4 1m o s f e t 中的电容 在m o s f e t 中存在着各种电容，如图3 3 所示。这些电容限制了电路的高 频特性，充分了解这些电容的大小及产生原因对低噪声放大器的设计尤为重要。 g a t o “。 一r 。，4 一 。 ，：。，一 i 一“ 7 、 ，一。 ，r “牛和7 ”q 辛，拳吒 n “、 v 。 | 7 ：t 。鲤、一7 蒜0 i l 。、量j 蛹守w 。 1 ) _ 8 l l b 晶r 酗i 世 图3 3m o s f e t 电容 由于m o s f e t 的源区和漏区与衬底形成了一个反向的偏置结，因此在这两 个区域与衬底之间存在着结电容，它们分别结为c 神和c 脚。 除了结电容以外，在m o s f e t 中还存在着各种平行板电容，在图3 3 中电 容e ，代表栅源和栅漏f n j 的交叠电容，同时平行板交叠电容还会因边缘效应而增 人。另外一个平行板j u 容是栅与沟道i h j 的电容c 。，。由r 一在强反型情况下，表面 处的电荷和衬底中的电荷类型相反，它们之间是耗尽区，因此在衬底与沟道之问 贵州大学2 0 0 8 届硕。卜研究生学位论文 还存在一个电容e 。，它的特性像一个结电容。 从以上讨论可知，上面提到的三种电容可以等效为，c 9 6 ，c 0 ， 电容和为栅源电耷和栅漏电容，通常情况下c 远大于，表示栅与 衬底间的电容，c 0 和c 么分别表示源极与衬底间电容和漏极与衬底间电容。 m o s f e t 在各种工作状态下的各端电容值如表3 1 所示。 工作状态关态三极管区饱和区 c 簪q2 + e ，2 3 + o c 叫 c d ，q 2 + c 口，c o ， c 孽c c c b k 蓼+ c 目j c 孽b c 弘 oo c s b c j s bc j 由+ c c bf 2c j 出+ 2 c c b 1 3 c 乙c j 曲c j 曲+ c c b 2c j 曲 3 4 2 栅极分布电阻 表3 1m o s f e t 各端电容近似值 在现代c m o s 工艺中，栅极由多晶硅构成，由于其电阻值较高，因此多晶 硅栅极分布电阻在m o s f e t 中不能被忽略。通常情况下，多晶硅栅极分布电阻 影响着最大谐振频率，噪声特性，时域响应以及功率增益和输入阻抗。 栅极分布电阻与分布栅氧电容构成分布式r c 网络，它可以用集总参数模型 来表示。栅极分布电阻等效为串联在栅极的集总电阻，可以表示为【l l 】： = 篑 ( 3 2 4 ) j 刀一l 其中心为多晶硅栅极方块电阻，为器件的栅宽，为栅长，n 为栅指数，这 个表达式忽略了用来连接多栅指的内部互连电阻，由于互连电阻位于盒属层，因 此具有很低的电阻值，这里可以忽略。 1 9 贵州人学2 0 0 8 届硕士研究生学位论文 3 4 3 沟道电阻与过渡时间效应 当频率达到坼的1 1 0 或者1 5 时仍可以忽略晶体管实际的分布特性，但是随 着频率的升高，集总参数模型不再适用。在前面的讨论中，一直假设m o s f e t 满足 准静态假设，即栅极电压的任何变化，都能够立即引起沟道电荷的变化。在频率很 高的情况下，准静态假设不再成立，需要考虑过渡时间 非准静态( n o n q u a s i s t a t i c ， n q s ) 的影响，这时若在栅源之间加入一个电压，由于栅氧分布电容和沟道分布电 阻构成了分布式r c 网络，如图3 4 所示，载流子要经过一段时间后才会到达漏 极，因此跨导有一个相应的相位延迟。 图3 4 沟遁分布电阻和栅氧分布电容 这个延迟跨导的作用是输入阻抗的变化，在高频小信号模型中，沟道分布电阻和 栅氧分布电容可以用集总参数模型来近似，在强反型饱和区，栅氧与沟道之间的 分布电容e 。可以近似为： 巳一j c o * w l ( 3 2 5 ) 当m o s f e t 处于强反型饱和区时，沟道电阻为： 如= 去 2 6 ， 其中g 。为沟道两端电压为零时的跨导，沟道电阻r 。可以等效为并联电导岛， 如图3 5 所示，r c 串联电路可以等效为并联电路，其中电导值为： g 。：煎 ( 3 2 7 ) 邑2 蒜 2 ” 2 0 贵州大学2 0 0 8 届硕+ ：研究生学位论文 鼹授 擞檄 拯缀 源缴 g g 图3 5 沟道电阻串联电路转换 不像栅极的多晶硅电阻，沟道电阻不能通过版图技术来减小i 当工作频率保持在 坼以下，并联电导g 。可以忽略不计，但是在设计低噪声电路时，与这个电导相 关的热噪声却不能忽略。 在t s m c 0 1 8 t m c m o s 工艺中，高频m o s 器件模型主要采用b s i m 3 模型 来仿真器件的直流特性，同时加上外接的无源器件来仿真晶体管在高频时的寄生 效应，它将b s i m 3 模型与外接的无源器件看成一个子电路，用这个子电路来仿 真晶体管的高频特性，这个模型如图3 6 所示。 图3 6t s m cr fn m o s 等效电路模型 在t s m c 0 1 8 。u m c m o s 工艺中，对于电源电压为1 8 v 的电路中的n m o s 和p m o s 器件，它们的沟道长度的取值范围为0 1 8 0 5 i t m ，它们在布局上采 用多指( m u l t i f