（电路与系统专业论文）基于rof系统的低噪声放大器的设计.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 目前，各种无线通讯设备越来越多，应用也越来越广泛。、斩f i ，r f i d 等技术的广泛应 用对无线设备的要求越来越高。对于整个接收机来说，接受信号的灵敏度、辐射大小、接 受信号的距离、噪声系数n f 等指标都是需要设计者需要考虑的目标。在无线通讯系统中， 处于接收机最前端的低噪声放大器是决定接收机噪声性能和灵敏度的关键部件。 低噪声放大器位于接收机的最前端，它的性能直接影响到整个系统的好坏。就低噪声 放大器电路设计而言，由于低噪声放大器一般与天线直接或天线后的滤波器相连，为了最 大程度的信号传输，就需要放大器的输入端与它们很好的匹配。就低噪声放大器的制造工 艺而言，c m o s 工艺由于集成化的优势突出，有效的降低了成本。利用c m o s 工艺制作性 能优良的l n a 已经成为研究重点。本文主要做了如下工作： 首先，从m o s f e t 管的特性入手，分析了单管的电压电流特性，阐述了共源放大器、 共栅放大器和源极跟随器的电路特性。然后叙述了基本的噪声原理，器件的噪声模型和 m o s f e t 管的噪声分析方法。最后叙述了系统设计中对低噪声放大器的性能要求，分析了 低噪声放大器的设计指标。 其次，分析对比了近年来有关窄带低噪声放大器论文的各种设计结构，同时总结了近 年来窄带低噪声放大器设计的优化方法。本文应用9 0 n mi b mc m o s 工艺，采用c a d e n c e 软件完成窄带低噪声放大器的设计，完成了电路图仿真、c o m e r 分析、版图绘制、d r c 、 l v s 以及后仿真，并提交流片。最后论文提出了一种新型电路结构。该电路结构可以通过 调节控制电压，使电路在1 9 g h z 到2 4 g h z 频段内谐振在不同的频点，在每个频点处 s 1 l 一1 5 d b ，s 2 2 1 5 d b ，n f 2 d b ，满足设计要求。 再次，分析总结了宽带低噪声放大器不同的设计方法，并对各个方法的优缺点进行对 比。文中应用9 0 n mc m o s 工艺，利用c a d e n c e 软件完成宽带低噪声放大器的设计，完成了 电路图仿真、c o m e r 分析、版图绘制、d r c 、l v s 以及后仿真，并提交流片。最后，本文 提出了一种应用噪声抵消技术的新型电路结构。此电路在2 g h z 到4 g h z 的带宽范围内s l l 和$ 2 2 均小于- 1 0 d b ，n f 1 5 d b ，噪声系数和增益都有了提高。 最后对芯片进行了p c b 板内测试，分析了电路测试的结果，为以后电路设计提供了设 计经验。 关键词：低噪声放大器，c m o s 工艺，c a d e n c e 仿真，版图 a b s t r a ct c u r r e n t l y , t h e r ea r eav a r i e t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t s ，w h i c hh a v eb e e n w i d e l yu s e d w i r e l e s sd e v i c e sm u s tb ei m p r o v e db e c a u s eo ft h ea p p l i c a t i o no fw i f i ，r f i da n d o t h e rt e c h n o l o g y f o rt h er e c e i v e r , t h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o rt h e d e s i g n e ra r et h er e c e i v e d s i g n a ls e n s i t i v i t y , r a d i a t i o n ，s i z e ，d i s t a n c ea n dn o i s ef i g u r e ( n f ) i nw i r e l e s sc 0 加m l 】n i c a t i o n s y s t e m s ，t h el o w - n o i s ea m p l i f i e r ，a tt h ef r o n to ft h er e c e i v e r , i sa k e yc o m p o n e n t st h a td e t e r m i n e t h er e c e i v e rn o i s ef i g u r e 。 l o w 。n o i s ea m p l i f i e ri sl o c a t e di nt h ef r o n to ft h es y s t e m i t sp e r f o r m a n c e d i r e c t l ya f f e c t st h e q u a l i t yo ft h ee n t i r es y s t e m b e c a u s et h el o wn o i s ea m p l i f i e ri sc o n n e c t e dt ot h ea n t e n n a , t h ei n p u t a n do u t p u to ft h el n am u s tb em a t c h e dt o5 0 0 h mf o rt h em a x i m u m s i g n a lt r a n s m i s s i o n a t p r e s e n t ，c m o st e c h n o l o g yi sc o n d u c i v et oi n t e g r a t i o na n dr e d u c e st h ec o s t s t h eu s eo fc m o s t e c h n o l o g yh a sb e c o m et h ef o c u so ft h el n a t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , w ea n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o s f e t , a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e v o l t a g e a n dc u r r e n t t h e a p p l i c a t i o n s o ft h em o s f e th a v e b e e ns h o w ni n c l u d i n g c o n l l n o n 。s o u r c ea m p l i f i e r , c o m m o n - g a t ea m p l i f i e ra n ds o u r c ef o l l o w e r o nt h i sb a s i s t h ei l o i s e m o d e la n dm o s f e tn o i s ea n a l y s i sh a v eb e e ns h o w n t h e nw e e x p l a i nt h ei m p o r t a n tr o l eo ft h e l n a i nt h es y s t e ma n dt h ed e s i g np a r a m e t e r s t h er e s u l t sa r es 1 1 - 1 5 d b ，s 2 2 1 5 d b ， n f 2 d b s e c o n d l y , t h el n a i nt h er e c e n tp a p e ri nt h ei e e eh a v eb e e n a n a l y z e di nt h ep a p e r w ef i n d t h ed e s i g nw a y so ft h el n a ，a n dv a r i o u sd e s i g ns t r u c t u r e s t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o dh a sb e e n s h o w ni nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，an a r r o w - b a n dl n a h a sb e e nd e s i 蹲l e d i nt h ep a p e rb yc a d e n c e w eu s e9 0 h mi b mc m o st e c h n o l o g y , a n dc o m p l e t et h e c i r c u i t s i m u l a t i o n ，c o m e ra n a l y s i s ，d r c ，l v sa n dp o s ts i m u l a t i o n t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na r eg o o d f o rt h ed e s i g n an e wl o wn o i s ea m p l i f i e rh a sb e e nd e s i g n e d t h ei n p u ta n d o u t p u ti m p e d a n c e m a t c h i n gn e t w o r k sa r ea c h i e v e dw i t he x t r av a r i a b l ec a p a c i t o rc o n t r o l l e db yt h ev o l t a g e t h e v a r i a b l ec a p a c i t o r su s e di nt h ec i r c u i td e s i g nc a l lm a k et h el n a o p e r a t ea ts o m ek e yf r e q u e n c v b a n d sb e t w e e n1 9 g h za n d2 4 g h z t h i r d l y , t h ew i d e - b a n dl n ai nt h er e c e n tp a p e rh a sb e e na n a l y z e d w ec o m p a r a t i v et h e d e s i g nm e t h o do ft h el n a ，a n dv a r i o u sd e s i g ns t r u c t u r e s 。t h es e v e r a ld i g 打e n t c i r c u i t a r c h i t e c t u r e sh a v eb e e ns h o w ni nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s , aw i d e - b a n d l n ah a sb e e nd e s i g n e di nt h ep a p e rb yc a d e n c e w eu s e9 0 n mi b mc m o s t e c h n o l o g y , a n d c o m p l e t et h ec i r c u i ts i m u l a t i o n ，c o m e ra n a l y s i s ，d r c ，l v sa n dp o s ts i m u l a t i o n t h er e s u l t so ft h e l j 杭州电子科技大学硕士学位论文 s i m u l a t i o na leg o o df o r t h ed e s i g n w ed e s i g nan e wc i r c u i ta r c h i t e c t u r et h a tc a ni m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h en o i s ea n di n c r e a s et h eg a i no ft h ec i r c u i t t h i sc i r c u i th a sb e e nv e r i f i e db y s i m u l a t i o n t h er e s u l t sa l es l l 一1 5 d b ，s 2 2 1 5 d b ，n f 2 d b ，t h eg a i na n dn o i s e f i g u r ea lei m p r o v e d f i n a l l y , t h ep c bo ft h ei ch a sb e e nt e s t e d w ea n a l y s i st h er e s u l t so ft h et e s tc i r c u i tt o i m p r o v et h ee x p e r i e n c eo ft h ec i r c u i td e s i g n k e y w o r d s ：l o wn o i s ea m p l i f i e r , c m o st e c h n o l o g y , c a d e n c es i m u l a t i o n ，l a y o u td e s i g n 1 1 1 杭州电子科技大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 引言 近年来，微波光子学的快速发展和进步使得r o f 技术出现并且得到了广泛应用。将光纤 链路传输微波毫米波信号( r a d i oo v e rf i b e r ) 技术用于无线通信系统中已经成为学术界研究的热 点【l j 。r o f 通信方式是将光纤通信技术和无线通信技术结合而成的。相比于其他的通信方式， 该通信方式具有蜂窝覆盖广，成本低，功耗小等优点。r o f 通信技术由中心站( c e n t e rc o n t r o l s t a t i o n ，c s ) 、基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 、光纤网络和用户组成。它通过分布式的光纤网络，延 长无线信号的传播距离，减少衰减，提高了用户的速率。r o f 通信技术的中心站完成频率分 配、调制解调等功能，中心站与基站之间用光纤连接。中心站将数字基带信号调制到光载波 上，通过与基站相连的光纤网络将信号传递到基站。基站主要作用是将光信号转换成射频信 号，最后信号放大通过天线发送给用户【2 】。 r o f 通信方式是由光纤通信技术和无线通信技术结合发展而来，其中，无线通信技术至 关重要。1 8 9 7 年英国科学家马可尼成功用无线电进行消息传输，标志着无线通信技术的开始。 近二十年是无线通信技术迅猛发展的二十年，分别经历了第一代模拟蜂窝通信系统，第二代 数字蜂窝系统以及现在的第三代移动通信系统。第一代模拟通信系统只能提供简单的语音服 务，第二代数字蜂窝系统不仅可以提供语音服务，并且可以提供数据和图像的传输，目前， 第三代移动通信系统正在不断完善【3 】。 通信系统一般是由收发前端和数字处理部分组成的。其中，射频收发前端电路又可以分 为发射机电路和接收机电路。从接收机的整体电路来看，位于接收机的前端的是低噪声放大 器，它是接收机电路一个重要器件。低噪声放大器是噪声系数很低的放大器，主要作用是放 大天线从空中接受到的微弱信号，同时降低噪声干扰，提供系统解调所需的信号。低噪声放 大器一般用在无线电接收机的前端部分，它的性能直接影响到整个系统的好坏。由于低噪声 放大器在最前端使得必须要求它的噪声系数越小越好，而为了抑制后边各级噪声对系统的影 响，必须有一定的增益。但是为了防止增益过高使得后级混频器过载，产生非线性失真，增 益又不宜过大。而且由于所接收的信号都是很微弱的，故低噪声放大器必须是一个小信号线 性放大器。通常，低噪声放大器一般与天线直接或天线的滤波器相连，放大器的输入必须与 它们很好的匹配，以达到合适的功率匹配或噪声匹配。 低噪声放大器的现代制作工艺经历了晶体管、场效应管、砷化镓场效应管等工艺。从1 9 4 8 年发明b j t 双极晶体管开始，后来引入了异质结( h e t e r o j u n c t i o n ) 制成了h b t ，h b t 具有 很高的性能，其截止频率可以达到2 0 0 g h z 。另一类常用的是场效应管，场效应管的种类有很 多，包括金属绝缘栅半导体f e t ( m o s f e t ) ，结型场效应管( j f e t ) ，金属半导体场效应管 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( m o s f e t ) 和异质结场效应管( h f e t ) 。就目前实现低噪声放大器电路的集成电路工艺主 要有：砷化镓( g a a s ) - r 艺、硅双极型工艺( b i p o l a r ) 和硅基互补金属氧化物工艺等。砷化镓材料 由于具备了载流子迁移率高、衬底半绝缘以及禁带较宽等特征在集成电路设计中得到广泛应 用。但是材料缺陷较多，成本较高，不能集成。从上个世纪6 0 年代，互补金属氧化物半导体 晶体管诞生，现在c m o s 工艺已经在数字集成电路市场上占据主导地位，越来越多的射频前 端电路也开始选择用c m o s 工艺。一方面是因为未来高度集成化是必然趋势，所以选择与数 字电路同样的半导体工艺技术，实现数字电路与射频电路前端电路单片集成是集成化的必然 要求；另一方面，m o s f e t 晶体管的尺寸现在已经可以达到2 5 n m 到3 0 n m ，晶体管尺寸的减 少让晶体的本征速度提高，截止频率达到2 0 0 g h z 以上，可以达到g a a s 和b i c m o s 工艺的 水平。这三种工艺实现相同性能下，c m o s 的成本优势尤为明显。本论文的主要工作是基于 c m o s 工艺设计低噪声放大器。 1 2 低噪声放大器的研究现状 近年来低噪声放大器设计的文献资料中，我们可以归纳出低噪声放大器的设计可以分为 三大类：( 1 ) 窄带低噪声放大器；主要是满足特定频率的低噪声放大器的设计，带宽一般在 2 0 0 m h z 左右，频点目前集中在i s m 频段。由于频带紧张和无线通信速率的提高，近3 年来 2 4 g h z 低噪声放大器【4 】【5 】【6 1 、6 0 g h z 低噪声放大器【8 】【9 】【1 0 1 【1 1 】的研究逐渐增多，成为研究的热 点。( 2 ) 宽带低噪声放大器：宽带低噪声放大器一直都是研究的热点，主要频段也是集中在i s m 频段，带宽有2 g h z 以上。( 3 ) 多频点低噪声放大器( 双频带低噪声放大器) ；这种放大器是 对于多模式的通信方式提出的，可以应用在两个或多个不同的频点处。 窄带低噪声放大器的设计难点在于需要采用合适的电路结构和合适的输入输出阻抗匹配 以满足设计指标。从近年来有关低窄带低噪声放大器的设计文献中可以总结出，按照电路架 构上大致可以分为3 种类型：共源共栅型结构【1 2 】【1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 6 】【17 1 、电流复用结构【1 8 】【1 9 1 、差分结 构【2 0 】【2 l 】【2 2 1 。按照匹配方式的不同，又可以分为电阻匹配、共栅电路输a n 抗匹配【2 3 】、电阻负 反馈输入阻抗匹配【2 4 1 、电感源极负反馈 2 5 】【2 6 】【2 刀等不同的匹配方式。其中，共源共栅电路结构 和电流复用结构是设计单端低噪声放大器时通常采用的结构。电感源极负反馈的匹配方式由 于增益高，噪声系数小等优点得到了广泛的应用。 宽带低噪声放大器的设计可以分为不同的类型，根据不同的电路结构划分可以分为l c 宽带匹配方式、电阻负反馈、有源负反馈和噪声抵消技术等。设计时需要根据设计要求选择 不同的电路结构，各个结构各有优缺点。l c 宽带匹配的方式2 8 】【2 9 】【3 0 】是由窄带共源共栅电路 的设计方式演变而来。设计方法是在电路的输入端和输出端都采用l c 宽带的阻抗匹配。这 种电路结构具有设计简单的优点，但是要进行宽带匹配就会使用很多的无源器件，占用过大 的芯片面积。电阻负反馈【3 1 】【3 2 】【3 3 】的实现方式是在电路的输出端和输入端之间实现电阻负反 馈，其原理是降低电路的q 值以达到增加带宽的目的。衍生的类型还有利用m o s f e t 管做 有源负反馈【3 4 3 5 】等类型。这种电路结构设计简单，但是由于有电阻的加入会造成电路噪声的 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 增大。这是一种常用的宽带低噪声放大器设计结构。噪声抵消技术【3 6 】【3 7 】【3 8 】利用本身的电路结 构的特点，在第二级电路对第一级电路的噪声抵消，但是该电路的增益不高。 就c m o s 器件的研究而言，国外的c m o s 无线接收模块的研究起步较早，技术较国内 来说有着明显的优势。学术界对全集成c m o s 无线接收机的研究，主要有以下三个代表性小 组：( 1 ) s t a n f o r d 大学t h o m a sh l e e 带头的s m i r c 实验室。( 2 ) b e r k e l e y 大学p a u lr g r a y 领导 的射频集成电路设计研究小组。( 3 ) u c l a 的a s a da a b i d i 带领的a a g r o u p 研究小组。企业 界也研究出成果，2 0 0 4 年1 1 月b e r k a n a 无线公司推出一款全c m o s 单片收发器，b r o a d c o m 公司研制了基于8 0 2 1 1 a 无线局域网的收发器。 国内近年来发展突飞猛进，虽然起步较晚，但是各大科研院校表现出了不俗的研究实力。 代表性的机构有东南大学王志功教授领导的射频与光电集成电路研究所、清华大学微电子所、 电子科技大学等。 1 3 论文结构安排 第一章主要讲述了由于微波光子学发展而产生的r o f 系统的通信方式，描述了整体通信 方式的构成及各个组块的作用。然后大概叙述了目前的通信方式，以及在射频收发机中低噪 声放大器的重要作用。通过分析接收机的设计要求，阐述了低噪声放大器研究的必要性和设 计中需要注意的技术指标。然后，从工艺角度叙述了集成电路制作的工艺发展，让我们对工 艺发展有一个直观的感受。最后，总结了近年来国内外发表的有关低噪声放大器的设计论文， 归纳出窄带低噪声放大器和宽带低噪声放大器的研究现状，主要技术指标和采用的技术，为 论文中设计低噪声放大器做理论基础。 第二章阐述了低噪声放大器设计中需要用到的理论基础。首先从基本的元器件m o s 管 入手，叙述了m o s 管的基本特性和电气特性。进而以此为基础分析共源放大器、共栅放大 器、源极跟随器等基本电路。从小信号分析中得出电路的输入阻抗、增益、输出阻抗等参数。 然后分析在射频设计中需要用到的无源器件。这里叙述了三种器件，电阻、电容和电感。了 解它们在高频时的特性对我们的设计具有至关重要的作用。然后叙述了低噪声放大器最重要 的理论，即二端口噪声理论。这是分析低噪声放大器噪声的理论基础。最后从系统级设计中 分析低噪声放大器的设计指标，结合近年来有关低噪声放大器的学术论文的性能指标，我们 提出了本论文设计的性能指标。 第三章主要叙述窄带低噪声放大器的设计方法和成果。首先归纳了近年来窄带低噪声放 大器的设计构架和改进方法，从这些设计方法中找到设计思路，根据设计思路完成了本论文 的设计。有设计完成后的仿真参数可以看出设计结果满足设计要求。在此基础上，提出了一 种电压控制可谐振在不同频点的低噪声放大器。 第四章主要叙述宽带低噪声放大器的设计方法和成果。首先我们阐述了几种常用的宽带 低噪声放大器的设计架构，比较这些设计方法进而完善设计思路，完成本论文中宽带低噪声 放大器的设计。从仿真结果中看出设计结果达到了设计指标。最后在此基础上同样提出了一 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 种新型的宽带低噪声放大器，可以明显改善噪声和增益。 第五章对芯片进行测试。芯片完成后，绘制p c b 版图来进行实物的测试。从测试结果中 观察是否满足设计要求，进而对结果分析。 第六章对本论文的工作做一个总结，阐述论文完成的工作，总结经验教训。本论文完成。 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章低噪声放大器的基本理论 2 1m o s 晶体管 m o s f e t 是金属氧化物半导体场效应管，最早是在19 3 0 年j e u l i e n f e l d 的专利中 提出的【3 9 】。但是一直到2 0 世纪6 0 年代中期，互补m o s 器件的发明才得以迅速发展。c m o s 技术具有高集成度、低功耗、低成本的特点，但是性能一直不能满足设计要求进而得不到广 泛的应用。现在随着技术的不断进步，工艺的不断发展，m o s 管的尺寸不断缩小，其性能也 同双极型等工艺有了可比性。因此，c m o s 逐渐成为模拟电路的主流。 2 2 1 器件结构 上个世纪6 0 年代中期，c m o s 器件发明并且迅速发展。c m o s 晶体管是互补金属氧化 物半导体( 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 ) 的简称。c m o s 晶体管是p m o s 和 n m o s 两种晶体管制作在同一个衬底上，它的结构可以用下图【4 0 】来表示。 图2 1 m o s 晶体管的结构图 从图2 1 中可以看到，p m o s 和n m o s 器件都是四端口器件，分别是：栅极、源级、漏 极和体端。n m o s 晶体管的体端是做在p 型衬底上的，由做在p 型衬底上的欧姆接触引出。 n m o s 的栅极是在p 型衬底上形成一层很薄的二氧化硅绝缘层，在绝缘层上有一层多晶硅， 由多晶硅引出而形成的。n m o s 的源极是在栅极旁边，由有两个重掺杂的n 型有源区引出而 形成的，源极和漏极的结构是相同的，仅仅在电气连接时才将它们区分开。p m o s 与n m o s 不同之处在于p m o s 管做在一个单独的阱中。p m o s 的体端是从该阱中引出的。其栅极、源 极和漏极的结构与n m o s 管相同，但是有源区的掺杂类型相反。 2 1 2m o s 晶体管的工作状态 m o s 管的工作状态可以分为截止区、线性工作区、饱和工作区。图2 2 为晶体管在不同 工作区的i v 曲线图。 杭州电子科技大学硕士学位论文 d 嗍大 图2 2m o s 霄在不同工作去的i - v 曲线 m o s 管是电压控制型器件，栅极电压和源漏电压的大小决定了器件工作在不同的状态。 当栅极电压v g s 不够大，u p d , 于阈值电压的时候，m o s 管接近衬底表面的区域不能形成 反型层，也就是说没有导电沟道，不可能有电流流动，这个工作状态称之为截止区。 当栅极电压v g s 足够大时，即大于阈值电压的时候，在栅极和衬底之间的垂直电场会使 接近衬底表面部分特性发生变化，形成了一条连接源极和漏极的导电沟道。在源漏两端加电 压v o s ，随着v d s 逐渐增大，只要v d s v g s v t h ，那么导电沟道在漏端出现夹断，由于夹断区的强电场作用，电子仍然可以穿过， 但是此时即使v d s 继续增大，电流的大小近似保持恒定，这个区间称之为饱和工作区。 n m o s 线性区i v 曲线的简单表达式【删： 厶：心q 孚i ( 一v , h ) v o , 一丢唿i ( 2 1 ) n m o s 饱和区i v 曲线的简单表达式删： 厶：昙以孚( 一) 2 ( 2 2 ) p m o s 线性区i v 曲线的简单表达式【删： 厶= 嗍警l ( 一) 一吾咯l ( 2 3 ) p m o s 饱和区区1 v 曲线的简单表达式 4 0 1 ： 厶：一丢以i ，v 、e 岱一) 2 ( 2 4 ) 2 1 3m o s 管的小信号等效模型 小信号模型是在分析有源器件时一个十分重要的分析方法。它是对有源器件在静态工作 点附近进行线性化处理，以达到简化电路分析的目的。下图是m o s 管的完整小信号模型。 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 g d 图2 3m o s 晶体管饱和区的小信号等效模型 m o s 管的应用一般是让m o s 管处于饱和区。图2 3 是当m o s 管工作在饱和区时的等效 模型。m o s 管的漏极电流是由栅极电压控制的，可以看作是一个电压控制电流源。该电流大 小用g l r i v 肇来表示。考虑到m o s 管的沟道调制效应，该效应也可以用一个电流控制电流源表 示，而且电流大小与电压成线性关系，则用一个电阻r o 来表示。考虑到m o s 管的衬底调制 效应，该效应等效为一个由源极和体端电压控制的电流源g m v b s 。图中的c g d 是栅极到衬底的 寄生电容，c s b 是源极到衬底的寄生电容，c 曲是漏极到衬底的寄生电容。这三种电容的电容 值相对较小，在设计过程中一般忽略。栅源电容c g s 和源漏电容c 酣电容值较大，在设计过程 中要考虑它们的影响。 2 1 4m o s 管的非理想效应 衬底调制效应【4 0 j ：当晶体管源极电势高于体端电势时，栅极下面的表面层中将有更多的 空穴被吸引到衬底，使得耗尽层中留下的不能移动的负离子增多，耗尽层宽度增大，耗尽层 中体电荷密度增加，晶体管的开启电压升高。 体效应【4 0 】：也称为背栅效应。是当晶体管衬底电压减小时，将有更多的空穴被吸引到衬 底电极，同时留下大量的负电荷，耗尽层变宽。当衬底电压变的更负时，耗尽层电荷总数增 加，阈值电压也增加。 沟道长度调制效应【4 0 】：当栅极和漏极的电压差增大，反型层沟道长度逐渐减少。漏极电 流实际上与源漏电压有关，这个想象让i v 特性曲线在饱和区出现非零斜率。随着源漏电压 的增大，漏极电流会有一定程度的增大。 2 2 5 共源放大器的小信号分析 图2 4 共源级小信号等效电路 图2 4 是共源放大电路的小信号等效电路。图中输入电压为v i ，输入电压为v o ，负载电 阻r d 。将负载电阻考虑在内该电路的电压增益为： 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 该电路的输出阻抗： 4 2 - g m 熹一g ( r 0 1 乞) 2 2 6 共栅放大器的小信号分析 z d 盯= 1 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 图2 5 负载为r d 的共栅极和小信号等效电路 图2 5 是共栅放大电路的小信号等效电路。图中输入电压为，输入电压为v o ，负载电 阻r d 。晶体管的输出阻抗r o 。 小信号增益： 4 = v 圪o u t = 矗冀裴鼍 眩7 ， 输入阻抗： 一 = 尝= 讯r 而o + r o 忐+ i 1 石 泣8 ， 输出阻抗： r o 盯= 【1 + ( g 。+ g 础) 】b + 名) 如 ( 2 9 ) 典型的共栅放大器具有高输入阻抗的特点，一般会用在阻抗匹配等方面。同时共栅放大 管的输入阻抗很低，是由共栅管的跨导决定的，可以通过改变直流偏置达到改变输入阻抗的 目的。 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 2 7 源极跟随器的小信号分析 输出阻抗： 增益： o 一 图2 6 电阻做负载的源极跟随器 乙2 瓦1 瓦1 + g m + g 衲 6 ”6 ”6 a 上 g m g m b ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 源极跟随器的低频电压增益小于1 ，电流增益很大。一般用在电路的最后一级，用来增 强电路的电流驱动能力。 2 2 7 共源共棚电路的小信号分析 输出阻抗： 增益： 臀 图2 。7 共源共栅电阻小信号分析 r o w = 1 + ( g 。2 + g 础2 ) ，- 。2 名i + t 0 2 ) 1 ( 2 1 2 ) 4 = 一g 。l ( g 册2 + g 。6 2 ) 乞2 r o i ( 2 1 3 ) 共源共栅电路具有输出阻抗高，密勒效应小，增益大的优点。该电路广泛应用在电路设 计中。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 2 无源器件 2 2 1 电阻 在现代c m o s 工艺中，一般的电阻种类分为：扩散区电阻、阱电阻、多晶硅电阻、金属 线电阻和线性区m o s 管电阻等。通常用电阻精度、温度系数、电压系数和电阻的匹配程度 来衡量一个电阻器的性能。下表中表述了各种电阻类型可以达到的阻值范围，以及该电阻精 度受温度系数的影响。 表【3 9 】2 1c m o s 工艺中常用的电阻特性 电阻类型 方块电路阻值范围电阻精度温度系数 主要特点 f l d p p m 。c 多晶硅5 1 0 低阻值 3 5 1 0 0 0 寄生电容小，电压系数低 非硅化多晶电阻 5 0 0 1 0 0中等阻值5 0 1 0 0 0 寄生电容小，电压系数低 源漏扩散5 2 0低阻值5 0 0 1 0 0 0中等温度系数 阱电阻 1 1 0 k 高阻值 ( 5 0 8 0 ) 3 0 0 0 5 0 0 0温度系数高，电压系数大 m o s 管阻值可变 互联线 o 0 2 一o 1l 极低值 3 9 0 0 寄生电容小，电压系数低 2 2 2 电容 在c m o s 工艺中，电容器一般分为有源器件构成的电容器和平板电容器。常见的平板电 容包括为m i m 电容、多晶硅电容等。 m o s 管电容一般是利用栅极和源端、漏端构成的。该电容可以实现较大的电容量，并且 电容的大小受栅极电压的控制。 双层多晶电容：电容做在场区上，两层多晶硅分别做成两个电极，中间介质是氧化层。 双层多晶电容器单个电容误差大，而且与衬底的寄生电容会对整个电容的容值影响很大。但 是该电容具有匹配程度高，电压系数和温度系数小的优点。 m i m 电容( m e t a l i n s u l a t o r - m e t a l ) ：m i m 电容由次顶层金属m r - l 构成m i m 电容的一极， 插在最上面两层金属之间的特殊金属层c t m 构成m i m 电容的另一极。m i m 电容具有单位面 积电容量大，电压系数和温度系数小，匹配程度高，寄生效应小等优点，普遍使用在电路设 计中。 2 2 3 电感 电感在射频电路设计中是一个实现阻抗匹配的关键器件，在电路集成化过程中要求我们 尽可能的在最小的面积上制作出尽可能大，q 值较高的电感。在c m o s 工艺中，有两类电感， 分别是平面螺旋电感和键合线电感。 键合线电感是芯片封装时的键合线的寄生电感。虽然它的品质因子高，但是难以精确控 制，并且在导线和芯片之间会产生耦合干扰，可靠性不高【3 9 1 。 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 平面螺旋电感：它是集成电路设计中常用到电感，它是由顶层和第二层的金属线绕成的， 伴随着衬底损耗和金属线寄生阻抗，所以一般品质因子不高。平面螺旋电感的形状一般有很 多，如图2 8 所示，包括有方形、环形、六边形、八边形。 囵 图2 8 各种电感的实现方式 衡量电感的重要指标主要有电感量l 、q 值和自谐振频率。 电感量l ：准确的电感值的计算是十分困难的，通常由经验公式近似计算： l = 4 5 u o n a ( 2 1 4 ) 2 2 r 一1 4 a 其中，u o 为真空磁导率，a 是螺旋线的中，c , n 线匝的中心的距离，n 是线圈匝数，r 是线 圈内半径。长度单位是英寸，电感单位为n h ，集成电感的值一般在几十n h 以下。 自谐振频率：电感的自谐振频率决定了集成电感的频率使用范围。由于平面螺旋电感和 衬底问形成了一个平面电容，该电容与平面螺旋电感并联，组成了谐振回路，此谐振回路的 谐振频率就是该电感可以使用的频率范围，即电感的自谐振频率。并且，只有当电路的工作 频率小于此自谐振频率时，并联回路呈感性f 3 9 1 。 q 值：平面螺旋电感的q 值决定了该电感的损耗程度。平面螺旋电感的损耗主要来自于 以下几个方面【3 9 】：( 1 ) 电感是有金属线制成的，金属线的电导率会引起损耗，高频时趋肤效 应的加重使得损耗更加严重。( 2 ) 在现代c m o s 工艺中，衬底和电感之间的电磁场相互作 用引起的损耗成为限制片上电感质量的主要因素。( 3 ) 金属层与衬底形成的寄生电容，还有 金属与金属线之间的边缘电容都会影响片上电感的自谐振频率。 电感的等效模型： 一舄， ：孙 1 以4 一一- j 。l = c o x l = 图2 9 电感的型兀等效模型 2 3 电流镜偏置电路 电路中，需要用电流镜电路对电路提供偏置，一个对工艺、电源大小、温度变化依赖性 杭州电子科技大学硕士学位论文 较小的偏置电路对电路是十分重要的。 图2 1 0 电阻做偏置电路的电流镜电路 图2 1 0 就是一个电阻分压做偏置电路的电路图。该电路是由电阻r 1 和电阻r 2 的分压为 电路提供偏置。假如m 1 工作在饱和区，得： 乙j 1 以i w ( _ 一) 2 ( 2 1 5 ) 从这个式子我们可以发现，电流i 砌受很多因素影响，有电源、工艺和温度。不同m o s f e t 管的阈值电压是不同的，有大约1 0 0 m v 的差别。un 和v l l i 都是温度的函数，受温度影响很大， 因此k 就很难确定。 模拟电路中，为电路提供偏置最中心的思想是对一个基准电流进行复制，从而得到一个 精确的电流。图2 1 1 中m 1 和m 2 组成的结构是一个电流镜结构，可以对基准电流k 进行 复制。 图2 1 1 基准电流源作偏置的电流镜电路 按照图2 1 1 中的电路结构，忽略沟道长度调制效应，可以得到 k = 圭从巳( 詈) ，c 一，2 乙= j 1 以q ( 譬) ：( 一) 2 得到： i 叫= 船l r e f 从上式中可以看到，该电路可以精确的幅值电流而不受工艺和温度的影响。 尺寸澳帘了输入申流与苯准电流的比值。 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 两个器件的 杭州电子科技大学硕士学位论文 在通常情况下，用电阻作为偏置产生基准电流已经满足设计要求。 2 4 噪声理论 对于一个系统而言，噪声的大小决定了能够检测到的信号的最低限度，直接决定了该接 收电路的最小接收信号的大小。根据线性系统的噪声计算公式，位于系统前端的低噪声放大 器的噪声对系统的噪声起着决定性的作用。因而，我们研究低噪声放大器的噪声特性是十分 重要的。 2 4 1 噪声的表示方法 噪声是一个随机变量，即无法知道未来某个时间的噪声大小。在电路分析中，通过长时 间观测噪声发现，虽然噪声的瞬时值不能预测，但是平均功率是可以被预测的。在电路中， 大多数噪声源表现出了固定的平均功率。 电路中，随机功率p 。v 可以做如下的表示： 巴= 扎挚 眨 为了简化，把p 押的定义为 ，= l i m l r ，x 2 ( t ) d t ( 2 2 0 ) 为了表示噪声在不同频率下的差别，我们把每个频率上信号具有的功率大小称为噪声谱， 也叫功率谱密度( p s d ) 。 2 4 2 噪声类型 噪声的主要来源有闪烁噪声、散粒噪声、热噪声。热噪声是载流子运动引起的，受温度 等外界因素影响很大。闪烁噪声的大小与半导体材料密切相关，是由晶格缺陷造成的，它也 叫做1 f 噪声，从名称中可以看出其功率谱密度与频率成反比，由于射频电路一般的频率较高 在设计中通常可以忽略该噪声。散粒噪声与工作电流成正比，与温度影响不大。 热噪声也叫约翰逊噪声。半导体内部载流子做无规则运动，从宏观上看彼此抵消。但是 在外加电压时，外界电压对载流子的热运动影响，产生了微弱的无规则变化的电流，这样热 噪声就产生了。这里主要介绍三种热噪声：电阻热噪声、m o s 管沟道热噪声、栅极电阻热噪 声。 电阻热噪声：导体中由于电子的不规则热运动形成了电流变化，电流的变化在电阻上产 生噪声电压和噪声功率。由此可见，电阻的热噪声与电阻的大小是成正比的。电阻的热噪声 可以用一个无噪电阻和一个串联的电压源或者并联的电流源来表示。 1 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 甜墨0 虿辖 如图2 1 2 中所示，电阻大小为r ，已知玻尔兹曼常数k = 1 3 8 x 1 0 2 3 j k ，频带宽度为b ， = 4 k t r b ( 2 2 1 ) z - 。2 = 4 k t g b ( 2 2 2 ) m o s 管的热噪声：m o s 管的热噪声是m o s 管中的最大的噪声源，它是由是沟道产生的。 工作在饱和区的m o s 器件的沟道噪声可以用一个连接源极和漏极的电流源等效的，如图2 1 3 缶跏 露= 4 k t y g m ( 2 2 3 ) 噪声。m o s 管源漏沟道中电势的变化可以通过电容耦合到栅极，从而引起了栅极噪声。栅感 应热噪声与沟道热噪声相似，当系统带宽为b 时，栅感应噪声和沟道热噪声艺为： 嚣= 4 k t 6 9 9 b ( 2 2 4 ) = 4 k t ? g d o b ( 2 2 5 ) 动电压，d s a t 为电子饱和速率，断为电子迁移率，与g a o 的关系为： 2 ：堕2 量2 ( 2 2 6 ) 6 9 s g d o 1 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 电阻热噪声原理，m o s 管多晶硅也会有热噪声引入。该噪声在射频设计中不能被忽略，为了 降低多晶硅栅极电阻，一般我们在设计版图时