（电路与系统专业论文）无线应用的射频模块分析与设计.pdf

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谓 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，也不包含为获得重庞 邮电太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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：苍勿未 签字日期：形g 年月j 一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆由e 电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重庞由g 鱼太堂可以将学位论文的 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) 学位论文作者签名菇少禹 导师签名：l 虱辛 签字日期： g 年多月5 日签字同期：上p 8 年 月 厂日 重庆邮电人学硕士论文摘要 摘要 随着无线通信技术的不断发展，人们已基本实现了随时随地进行数据 通信的梦想。同时人们也进一步要求容量更大、速度更快、性能更完善的 无线通信系统。在这种社会需求下，射频与通信集成电路的研究同益趋于 白热化。形成了目前各种无线数据通信标准并存的局面，如在2 4 g h z 的 i s m b a n d 频段有8 0 2 11 ( b g ) ，蓝牙技术等。由于c m o s 技术的进步， 其特征尺寸不断减小，使c m o s 技术能满足几十g h z 的射频电路设计的 要求。使运用c m o s 技术将射频前端和后端数字电路实现单芯片集成成为 可能。随着这些技术的进步，c m o s 技术在r f i c ( 射频集成电路) 领域 的竞争力有了很大的提高。 本文着重对无线接收前端电路中的射频接收模块进行了深入的研究， 采用t s m c0 3 5 u mc m o s 工艺设计了用于2 4 g h z 频段的射频接收模块， 该模块包括了低噪声放大器( l n a ) 及混频器( m i x e r ) 。其中，l n a 的主 要功能是将天线接收到的微弱信号在引入较低的噪声的情况下进行放大。 输入端要求实现5 0 欧姆阻抗匹配。m i x e r 将l n a 输出的信号与本振信号 ( l o ) 混频产生低中频信号，要求噪声低、线性度高并提供适当的增益。 本论文第二章介绍接收机的基本结构及其性能参数。 第三章介绍了l n a 的几种结构，在此基础上确定了源极电感负反馈 共源共栅差分结构。然后对l n a 的噪声进行了分析和优化，给出了电路 设计的具体方法和仿真结果。 第四章首先介绍混频器的原理和几种不同的电路结构引入了平衡 g i l b e r t 式结构，通过对混频器噪声机理的分析，设计了基于g i l b e r t 单元 的双平衡混频器。最后给出了电路的仿真结果。 论文第五章论文结束语，总结了本论文所做的工作与创新之处，同时 也提出了后续工作。 关键词：2 4 g h z ；w l a n ；低噪声放大( l n a ) ；混频器( m i x e r ) 重鏖壑皇盔堂堡主鲨塞 垒! 塾墅苎! 。_ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - i _ l - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ 。- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 。_ 。_ - - _ _ - 。一一一一一一 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 et e c h n o l o g yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h e d r e a mo fd a t ac o m m u n i c a t i o na n y w h e r ea n da n y t i m eh a sb e e nr e a l i z e d p r i m a r i l y a tt h es a m et i m e ，t h ed e m a n dh a sb e e n o nag r e a tu p s u r g ef o r h i g h e r r a t e ，l a r g e r - c a p a b i l i t y a n d h i g h e r p e r f 6 r m a n c e o f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns v s t e m s u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e s ，r e s e a r c h e si nt h en e l do f r a d i oa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni cb e c o m em o r ea n dm o r ea c t i v e n o w t h e r ee x i s ts e v e r a lk i n d so fw i f e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ， f o r e x a m p l e ，i n2 4 g h zi s m b a n d t h e r ea r e8 0 2 11 ( b g )s t a n d a r d ，b l u e t o o t ha n d h o m e r fe t c w i t ht h ep r o g r e s so fc m o st e c h n o l o g y ，t h ec h a r a c t e r i s t i cs i z ei s s h r i n k i n g ，w h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fs e v e r a l t e ng h zr f i c a n d m a k et h er ff r o n t b a c kf h n c t i o nc i r c u i t si n t e g r a t i n gi n t os i n g l ec h i pp o s s i b l e s o ，t h ec o m p e t i t i o na b i l i t yo fc m o st e c h n o l o g yi nr f i ci sl a r g e l ye n h a n c e d b ya l lo ft h e s ep r o g r e s s e s t h i sp a p e ri n t e n d st of b c u so nt h ei s s u e so fr fr e c e i v e rf t o n t - e n di n t s m c0 3 5 u mc m o sp r o c e s s ，m a i n l yt ot h ei m p l e m e n t a t i o no f2 4g h zl n a a n dm i x e ri nd e t a i l t h el n ai st h em a i nf u n c t i o no ft h ea n t e n n at or e c e i v ea w e a ks i g n a li nt h ei n t r o d u c t i o no fl o wn o i s ea m p l i f i c a t i o nc i r c u m s t a n c e s i n p u td e m a n d so ft h e 5 0 o h mi m p e d a n c em a t c h i n g m i x e rw i l lb el n a o u t p u ts i g n a la n dl o c a lo s c i l l a t o rs i g n a l ( l o )m i x i n gal o w - i fs i g n a lf b rl o w n o i s e ，h i g hl i n e a r i t ya n dp r o v i d ea p p r o p r i a t eg a i n i nc h a p t e r 2 ， a r c h i t e c t u r e sa n ds p e c i f i c a t i o n so ft h er fr e c e i v e ra r e d i s c u s s e df i r s t a n dal o w i fr e c e i v e ri su s e da c c o r d i n g i nc h a p t e r 3 ，f o c u s e so nt h el n a c o n s i d e r a t i o n so fi m p e d a n c em a t c h i n g ， n o i s e 行g u r ea n di s o l a t i o ng u i d e dt h es e l e c t i o no fc i r c u i tt o p o l o g y t h ef i n a l d e s i g ni sac a s c a d el o wn o i s ea m p h f i e rw i t h s o u r c ei n d u c t o rd e g e n e r a t i o n ， f i n a l l y ，s i m u l a t i o nr e s u l t sa r es h o w n i nc h a p t e r 4 ，i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n dm i x e rs e v e r a ld i f f b r e n tc i r c u i t c o n f i g u r a t i o ni n t r o d u c e db a l a n c eg i l b e r ts t r u c t u r e ，t h r o u g ht h em i x e rn o i s eo f t h ea n a l y s i s ，d e s i g nb a s e do nt h eg i l b e r tu n i td o u b l e - b a l a n c e dm i x e r f i n a l l y ， s i m l 】1 a t i o nr e s u l t sa r es h o w n i i 重庆邮电大学硕士论文 t h el a s t c h a p t e r ， t h e s i s i n n o v a t i o n ，a tt h es a m et i m e ， k e yw o r d s ：2 4 g h z ；w l a n ； i 3 5 1 共源共栅结构低噪声放大器的分析1 7 3 5 2 共源共栅结构低噪声放大器的设计1 9 重庆邮电大学硕+ 论文 3 5 3 差动低噪声放大器设计 3 6 小结 第四章混频器分析与设计一 4 1 混频器的基本工作原理 4 2 混频器基本结构 4 3 混频器的性能参数 4 3 1 转换增益 4 3 2 噪声系数 4 3 3 线性度 4 3 4 隔离度 4 4 应用于低中频接收机的混频器设计 4 5 小结 第五章结论及未来的工作。 5 1 结论 5 2 未来的工作 致谢 参考文献 附录 i i 重庆邮电人学硕七论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来无线通信技术的不断发展，可分为下列几大类：移动电话、无 线局域网等，在通信技术方面：第三代行动通信系统主要是以码分多址 ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ，c d m a ) 为核心技术，分为c d m a 2 0 0 0 与w c d m a ，和我国自主知识产权的t d s c d m a 几种；而第四代行动通 信技术则以正交频分多址技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x ， o f d m ) 最受瞩目。未来的通信服务，诸如个人通信设备、无线网络系统 和其它个人或家庭式的服务，均朝向多功能且体积小发展。 用于工业、科学及医学上、任何人皆可使用的i s m 频带，共有三个频 段，分别为o 9 g h z 、2 4 g h z 与5 7 g h z 等三个频段，而使用在2 4 g h zi s m 频带中，较著名的有无线局域网络( w i r e l e s sl a n ) 、蓝牙等。以局域网络 而言，i e e e 8 0 2 1 1 b 以及i e e e 8 0 2 1 1g 皆为t d m a 方式；i e e e 8 0 2 1 1 是 跳频( f h s s ) 调制方式，速率为2 m b p s ；i e e e 8 0 2 1 1b 是直序扩频( d s s s ) 调制方式，速率为1 1 m b p s ；i e e e 8 0 2 1 1g 主要是0 f d m 调制，且支持多 种调制方式，并可与i e e e 8 0 2 1 1 b 相容，并在1 1m b p s 与5 4m b p s 数据 速率间提供更多选择。 无线通信系统的迅猛发展，使得射频前端芯片设计向集成化、低成本、 低功耗等方向发展。c m o s 工艺技术的不断进步，使越来越多的射频单元 电路，如低噪声放大器、上下变频混频器、中频滤波器、本机振荡器、 功率放大器等等，能够集成到单片c m o s 收发机芯片上，加上基带信号处 理，因而有可能在c m o s 工艺上实现整个从前端到后端的无线通信系统。 巨大的市场需求促使世界发达国家及相关大公司投巨资竞相研发适 应社会需求的无线通信系统。无线终端的微型化、低功耗、低成本、高性 能是未来通信技术发展的新趋势，而整个无线通信系统的单片集成是适应 这一趋势的必然选择，因此单片集成无线终端己成为当今无线通信系统研 究开发的热点。因而本文研究使用0 3 5 u mc m o s 工艺设计应用于i s m 频 段的2 4 g h z 频带接收模块。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2c m o s 射频前端的研究现状 一般来说，射频接收机前端主要包括低噪声放大器( l n a ) 和混频器 ( m ix e r ) 两部分。其中l n a 负责将接收到的信号放大，同时，引入的额 外噪声要尽可能小，即信噪比不能恶化太多。混频器则负责把l n a 放大的 信号解调，还原为中低频信号，所引入的电路噪声也要尽可能小。由于此 时信号已经被放大，幅度较大，对混频器的线性度要求就比较高。这两个 部分也就是本文电路设计的核心部分。 目前在低噪声放大器( l n a ) 方面，根据不同应用分别采用不同的电 路结构。从电路工作形式分，有共栅l n a i l 刁j ，电流复用反相器式l na 【4 | ， 共源l n a 等。但在对噪声要求比较高的时候通常采用共源结构。在共源 结构中，又有多种不同的改进形式，如共源共栅l n a l 5 。j 、折叠共源共栅 l n a 【引、利用噪声关联使噪声互消的共源l n a 【9 】等。和l n a 电路相关的具 体的研究论题包括：片上电感的实现( 平面螺旋电感和有源电感) 和建模【l o j m o s 管噪声的研究和建模【：等等。m o s 噪声的建模研究也在不断进行中。 其复杂的噪声机理是l n a 设计时必须考虑的第一要素。但因为m o s 的噪 声机理的研究还不透彻，因此l n a 的测试结果很容易与仿真结果有较大 的偏差。在这种情况下，在l n a 设计过程中应从一开始就考虑并估计可 能产生的各种寄生效应，并考虑最坏情况，在所有的工艺库模型变化范围 内通过仿真。另外，如何将e s d 电路吸收到l n a 的输入匹配中而不对电 路性能产生较大的影响，如何协调噪声匹配与阻抗匹配等对l n a 输入匹 配的不同要求以达到所需的电路指标，这些都是在实现l n a 时所需要考 虑的问题。 混频器按照增益来分类可以分为两种：a c t i v em i x e r 和p a s s i v em i x e r 。 a c tiv em i x e r ，它的特点是增益比较大，一般可以达到10 d b 左右，m o s 管一般都工作在饱和区，采用a c t i v e 的混频器可以降低对l n a 增益的要 求和可以降低后面一级电路的n o i s ef 埝u r e 的要求【1 2 j 。p a s s i v em i x e r 的最 大缺点就是增益损耗很大，这样导致电路的功耗很高，n o i s ef i g u r e 很高。 这在系统设计中是不允许的，因此混频器设计选用a c t i v e 混频器。a c t i v e 混频器的电路实现又分为：基于平方关系( s q u a r e 1 a w ) 的混频器，基于 乘法器( m u l t i p l i e r b a s e d ) 的混频器【”j 。目前在混频器( m i x e r ) 方面， 如何提高混频器的线性度，转换增益，隔离度，和降低混频器的噪声是研 究热点。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 论文结构 本文主要是针对2 4 g h z 的i s m 频段( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，a n d m e d i c a l b a n d ) 的无线通信系统应用的收发器接收部分射频接收机前端( r f r e c e i v e rf r o n t e n d ) 进行研究，采用0 3 5 u mc m o s 工艺设计实现源极电感 负反馈共源共栅结构的低噪放、基于g i l b e r t 单元的双平衡混频器。对于射 频芯片的国产化和实用化具有较大的实际意义。 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了本论文的研究目的和国内外研究现状等。 第二章介绍了射频接收机的不同结构和衡量接收机性能的基本参数， 在此基础上，提出本论文采用的接收机前端模块的结构。 第三章低噪声放大器( l n a ) 的设计，重点分析噪声系数和优化，推 导了低噪声放大器的噪声系数与输入m o s 管栅宽w 的关系并且给出了设 计的具体方法和优化仿真结果。 第四章研究混频器( m i x e r ) 的设计，重点分析噪声和线性度等，提 出合理的结构，进行模拟和优化，并且给出了优化仿真结果。 第五章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 重庆邮电大学硕十论文第二章接收机架构分析 2 1 接收机概述 第二章接收机架构分析 射频接收机的作用是将所要的电波信号由天线接收后，负责将天线输 入的微弱信号逐级加以放大和降频，最后将接收到的射频信号解调，还原 成原来的信号。接收机的电路结构可分为射频前端电路、中频、和基带等 三级，以下分别将这三级电路的功能加以说明： 前端电路( f r o n t e n d ) 包含射频低噪声放大器( l n a ) 和混频器( m i x e r ) 两个部份，主要负责接收的灵敏度和动态范围等两种性能的表现，前端电 路的性能越好，则接收微弱信号或信号变化时的质量表现越好。 中频级电路包含中频放大器、模拟i q ( i n p h a s e q u a d r a t u r e ) 解调器、 滤波器、自动增益控制( a g c ) 等电路；中频级电路最为复杂，主要负责 接收机的选择性和提供足够的增益，使中频解调信号有足够的位准送至基 频处理器，继续完成解调的工作。 基带级主要是由基带处理器所构成的，一般是由数字信号处理器处理 中频级送来的基带模拟信号，并转换成基带数字信号，发射时则将基带数 字信号转换成基带模拟信号，以及处理自动增益控制( a g c ) 和跳频等等 的工作。 2 。2 接收机的架构 无线接收机的架构，可以区分为超外差式，低中频与零中频接收等三 大类。 2 2 1 超外差接收机 超外差式接收机是先将接收到的射频信号转至中频，经过中频滤波与 放大的处理，再将信号降至基频，供解调器进行信号解调还原，超外差式 接收机架构如图2 1 所示。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章接收机架构分析 l o l l 0 2 图2 1 超外差接收机架构图 传统的接收机，一般均采用超外差接收技术，超外差接收机可采用一 个中频或两个中频的架构；超外差接收机无论在灵敏度、选择性及稳定性 上都有相当优越的表现，因此传统的接收机，大都是采取超外差架构。超 外差接收机将天线收到的射频r f 信号与本地振荡( l o ) 信号混频，并将 信号频谱变换到中频( i f ) ，然后进行解调而得到发信端的基频信号。超外 差方式的最大优点是选择性，也就是在强干扰信号下，小信号的处理和选 择能力很优秀，若经过两次变频，可以获得更高的选择性。中频滤波器一 般均使用表面声波滤波器，以获得频道选择和防止邻频互调干扰。 超外差方式的主要缺点是：对中频镜像信号太灵敏，进而造成接收机 灵敏度的降低，且中频镜像滤波器须使用大量的无源器件，更由于两次混 频需要额外的v c o 和p l l ，所以需外加许多器件，以致无法有效地将功 耗、体积减小，以及成本无法降低等缺点。 2 2 2 零中频接收机 零中频接收如图2 2 所示，即r f 信号不需变换到中频，而是由射频 直接变换到基频，并解调出i q 信号，然后再送至基频处理器，解调成为 基频数字i q 信号。混频时由于r f 信号与l o 信号频率相同，混频后可 直接得到基频的信号；由于射频信号直接变频到基频时，射频信号的正负 频率会重迭，因此直接降频方式，需要两个混频器，产生j 下交i q 解调信 号。零中频方式可以抑制镜像频率，但其前端的选择性较低，一般只需加 入带通滤波器滤掉带外信号即可；而i q 信道的低通滤波器的作用则为选 择希望的频道，并抑制邻频干扰【l 引。 图2 3 本地振荡泄漏及自混频造成直流偏移现象图 零中频接收的优点为电路结构简单，零中频接收的好处有下列几点： 1 由于未经中频转换，电路简洁，减少非线性转换失真，可以提高接收机 动态范围。2 由于没有中频，因此不需要中频放大器与中频s a w 滤波器， 可以简化电路结构、降低成本。3 零中频接收频率合成器只使用一个， 可减少不必要的干扰和耦合，并可加快频率合成器的锁定时间。缺点为灵 敏度、选择性及直流稳定性较差。本地振荡泄漏，是零中频接收的最大缺 点，本地振荡泄漏也会调谐到天线并幅射出去，因而造成附近同频带接收 机的带内干扰。为有效地解决本地振荡泄漏的问题，零中频接收的混频方 式，大多使用次谐波混频( s u b h a r m o n i cm i x e r ) 模式，以倍频混频方式来 6 重庆邮电大学硕士论文第二章接收机架构分析 增加隔离度，并减低本地振荡泄漏及自混( s e l f m i x i n g ) 的现象1 6 1 。 2 2 3 低中频接收机 低中频架构为目前逐渐被用来设计整合射频前端的方式之一，是超外 差架构的一项特例，其将中频信号选择在2 10 倍的基频频率而非降到d c ， 不仅具有零中频简洁电路，滤波器设计不会像超外差架构那么复杂，而且 避开上述零中频架构的四项缺点。但其仍有镜像频率的问题，必须使用能 消除镜像频率的混频器并具备优异的镜像抑制能力( 6 0 7 0 d b ) ，因此，此 结构又称为镜像抑制( i m a g e r e j e c t ) 接收架构。低中频接收机常见的电路 架构有h a r t l e y 镜像抑制接收机图( a ) ，w e a v e r 镜像抑制接收机图( b ) 。 ( b ) c o s ( f 2 ) 图2 4 低中频接收机架构图 h a r t l e y 电路结构将r f 输入和本地振荡器的正交输出相混和，然后通 过低通滤波器，并将其中一结果移相9 0 度，最后将两个信号相加，可以 看到在a 点和b 点的频谱包含了相同极性的有用信号和相反极性的镜像信 号，因此得到的输出之和就能消除镜像频率。这种结构缺点是对于相位和 增益的不匹配很敏感。w e a v e r 电路结构它用一个第二级正交混频代替了 h a r t l e y 电路中的9 0 度移相器。这种技术实现了信号频带转换，且没有镜 像干扰。可以看到从d 点的频谱中减去c 点的频谱得到了有用信号并且消 除了镜像信号。w e a v e r 结构复杂，对不匹配也很敏感，但它避免使用一个 r c c r 网络，因此尽管工艺和温度变化，它还是能得到一个更好的镜像抑 制。 虽然两者皆会因为不完全的镜像抑制而导致增益以及相位上的不匹 配，可是后者并不因增益不平衡而影响镜像抑制能力，但如果第二降频器 并没有将频谱降到零频率的话，会产生第二镜像信号的问题。低中频结构 避免了零中频结构的d c o f f s e t s 问题，简单的原因就在于经过下变频后， 有效信号的位置不在直流( d c ) 附近。对超外差结构来说，低中频接收机 使集成度大大提高：超外差接收机使用片外带通滤波器和低通滤波器等实 7 重庆邮电大学硕士论文 第一二章接收机架构分析 现镜像抑制，芯片面积很大：而对镜像抑制的问题，低中频接收机则使用 多相位和复信号的方式，以及i q 双路的结构加以解决，这样消除了在高 频部分使用滤波器的麻烦，大大提高了系统的集成度。 2 3 射频前端结构和模块基本要求 接收机电路模块及其功能和性能指标的确定，除必须考虑功耗以外， 接收机的灵敏度和动态范围也是衡量接收机性能的主要指标。 灵敏度：射频接收机的灵敏度定义为解调输出达到最低信噪比s n r 时 接收机可检测的最低信号。为了推导接收机灵敏度和解调输出端最小信噪 比的关系，我们将从接收机的噪声指数公式入手。 接收机噪声指数n f 定义为输入信噪比和输出信噪比的比值， f ：璺坠：生监( 2 1 ) s n r 咖s n r 其中p s i 为接收机的输入功率，p n i 为信号源的噪声功率，根据灵敏度 的定义，可以计算接收机所能检测的最低信号功率，用d b m 表示 圪础= f + 肝+ 肌亿虮。i n ( 2 2 ) 动态范围：动态范围的定义为接收机正常工作时所能承受的最大信号 强度和所能检测的最小信号强度的比值。 在射频系统中，最小的信号强度反应了灵敏度，最大的信号强度反应 了线性度。通常用功率增益1 d b 和三阶互调i i p 3 来衡量接收机的线性度。 b d r 指接收机实际输出于理想的线性输出比较ld b 时的输入功率和接 收机灵敏度的比值，用d b m 表示： b 舢= 暑出一只。i 。 ( 2 3 ) s f d r 指接收机三阶互调输出功率和接收机最低噪声功率一样时的输 入功率与接收机灵敏度的比值，用d b m 表示： 删：堡型竽一只，m i 。 ( 2 4 ) 删= 竺型l 竺竺竺一尸一 ( 2 4 ) n o i s e f l o o r = 一、1 4 d b ，n h z + n f + 、q l o g b ( 2 5 、) 通过对上述接收机结构的分析，综合来看，由于超外差式接收机需要 很多片外分立元件，因此其集成度很低。零i f 设计不需要镜像滤波器，有 利于高集成度的实现。但它常会把d c 偏置加到输出信号上，而且本振馈 通抑制很差，因而实现零i f 设计比较复杂。因此我们综合考虑以上三种接 8 重庆邮电大学硕士论文第一二章接收机架构分析 收机优缺点、可实现性和集成度等因素。确定了本设计为低中频接收机。 图2 5 前端接收机结构图 低噪声放大器和混频器是射频接收机最前端的两个模块，其中低噪声 放大器的主要功能是将天线接收到的微弱信号进行放大，从而有效的抑制 后续电路的噪声，自身引入较低的噪声。混频器将放人器输出的信号与本 振信号混频产生低中频信号。通过系统级连模块分析它们对整个接收机指 标的影响。级联模块与各级电路之间的噪声系数和二阶输入截点的关系为 【1 7 】： 脬：胍+ 型+ 塑兰( 2 6 ) 44 4 职：【上+ 土+ 丝丛】一t ( 2 7 ) 3 l i i p 3 1i i p 3 ，i i p 3 、j 从公式可以得出： 1 ) 要降低模块的噪声系数，主要是降低前级电路的噪声系数， 2 ) 为了降低后续电路的噪声对整个模块的噪声影响，前级模块需要 提供适当的增益， 3 ) 要提高模块的线性度，除了提高各级电路的线性度之外，各级的 增益不能太高。 根据以上的分析，作为接收机电路最前端的两个模块，设计低噪声放 大器和混频器有如下要求： 1 ) 低噪声，低噪声放大器n f 不高于2 d b ，混频器n f 不高于2 0 d b ， 2 ) 高线性度，低噪声放大器i i p 3 达到10 d b m ，混频器i i p 3 达到5 d b m ， 3 ) 适当的增益，低噪声放大器g a i n 大约15 d b ，混频器g a i n 大约lo d b ， 4 ) 由于低噪声放大器的输入端与滤波器相连，要求实现5 0 欧姆的输 入阻抗匹配， 5 ) 低功耗，静态电流低于2 0 m a 。 9 重庆邮电大学硕士论文 3 1 引言 笛= 音 加一旱 低噪声放大器是接收 常微弱，须经过放大，并 频处理器可以接受的后， 带宽的不断增加，接收系 的要求也越来越严。l n a 的理想目标是高增益、低噪声、高输入i p 3 及低 功耗等，为了达到接收机系统能抵抗强干扰、又能接收微小信号及待机时 间等目标，所以设计l n a 时至少应考虑增益与线性等两项所组成的四个 工作模式：高增益高线性、高增益低线性、低增益高线性、低增益低线性 等模式。在高增益高线性及低增益高线性模式下，l n a 具有较高的i p 3 ， 但此时耗电也较多，在其它模式下l n a 功耗变小，尤其在低增益低线性 模式下消耗功率最小，进而延长其待机时间。 本节先介绍了各种结构的低噪声放大器，然后从噪声系数定义开始， 详细推导了低噪声放大器的噪声系数与输入m o s 管的栅极宽度w 的关 系。最后在前面分析的基础上设计了源极电感负反馈型的低噪声放大器。 3 2 低噪声放大器( l n a ) 基本架构 在选择l n a 架构时，首先以能提供稳定的输入阻抗为考虑。图3 1 所 示为四种基本的l n a 架构i l7 。图3 1 ( a )在i n p u t 端并联电阻以提供 5 0q 阻抗，然而输入端的5 0q 电阻却会衰减输入信号的强度，并且亦会引 入热噪声。图3 1 ( b )则是使用共栅极结构电路作为输入，此架构的噪 声系数在c m o s 工艺下有其最低限制【l6 。第三种架构则是采用并一串反馈 式，如图3 1 ( c ) ，此架构常用来实现宽带放大器，因此所消耗的功率比 其它架构要来的大。第四种架构，称为源极退化架构，如图3 1 ( d ) ，常 使用在窄带的系统中，除了能有效减小功率消耗之外，对于噪声也有不错 的表现。 1 0 出阻抗匹配，如图3 1 ( c ) 所示。它是一种宽带放大器，通过并联一串联 反馈，可以使得该放大器的输入阻抗和输出阻抗在相当宽的频带范围内保 重庆邮电大学硕士论文第二章低噪声放人器分析与设计 持恒定，而且双环反馈降低了器件参数变化对放大器性能的影响，并提高 了放大器的线性度。电阻反馈网络会产生自己的热噪声，且功耗较大，因 为它是一个宽带电路。但是，在现代通信系统中，比如g s m 系统，一个 宽带的前端常常并不必要。因此该结构本文不讨论。 3 2 4 源极退化电感型共源放大器 这种结构是目前应用最广的低噪声放大器结构，它是一种窄带放大 器，利用源简并电感来得到具有正实部的输入阻抗，并可在功耗受限的情 况下得到较优的噪声性能。图3 1 ( d ) 给出了这种放大器的电路图。它在 晶体管栅极引入一个实部阻抗，提供输入阻抗的实部，栅极的l s 与栅极 源极之间的电容c g s 谐振，使得输入阻抗的虚部为0 ，从而实现阻抗匹配。 由于l c 谐振只发生在有限的频带宽度内，因此这个放大器是一个窄带放 大器。由于理想电感并不引入额外的噪声，同时通过合理的设计，可以在 功耗受限的情况下做到近似的噪声匹配( y s = g o p t + j b o p t ) ，取得比较好的 噪声性能。 3 3 低噪声放大器的噪声分析 c m o s 晶体管噪声主要来源有，一是外界接收进来的，或央杂在信号 源中的噪声，另外一个则是电路本身所产生的噪声。最主要分为以下四种 【1 7 】 3 ，3 1m o s 管的漏极电流噪声 漏噪声是长沟道m o s 管的主要噪声源，它来源于沟道的热电子效应。 通常用一个并联在漏极源极之间的电流源匕来表示，通过详细的理论分 析，我们可以推导出由下式给出的场效应管漏极电流噪声( 也称作沟道热 噪声) 的均方值 ，d = 4 k 7 - y g d o 厂 ( 3 1 ) 其中，g d o 是m o s 管为零偏置时的漏电导。y 是沟道的热噪声系数，与 偏置有关，对于长沟道器件y 在2 3 - 1 之间，饱和状态下y 为2 3 ，对于短沟 道器件，饱和状态下y 在2 3 之间。 1 2 重庆邮电大学硕士论文第三章低噪声放人器分析与设计 3 3 2 闪烁噪声 当晶体管在低频时，主要呈现的噪声为闪烁噪声( f l i c k e rn o i s e ) ，由 于其噪声频谱密度与1 f 成正比，故又有l f n o i s e 之称。其发生原因在于 m o s 极氧化层与硅基板接口之间，由于硅晶体末端于此接口会产生共价 键，当电荷载子于此经过时，会随机地被此共价键捕获，而后再随机地被 释放，因而导致晶体管源极电流的颤抖，其可表示为一个与晶体管栅极串 接的电压噪声， 一 j ， y ；：一 ( 3 2 )y ：= lj zj 仃c n 。眦， 3 3 3 散射噪声 散射噪声的产生要满足两个条件：有电流流过和在电流流动的方向上 存在势垒阻挡电流的流动。显然由于不存在势垒，一般的线性电阻不会产 生散射噪声。而主要是一些非线性器件，例如p n 结，产生散射噪声。 依据文献散射噪声的噪声电流均方根为： t ：= 2 9 k 矽 ( 3 3 ) 其中q 是电子电荷，i d c 是直流电流，厂是噪声带宽。和热噪声一样，理 想的散射噪声是白噪声，其幅度满足高斯分布。对于m o s f e t ，由于其栅极 的直流漏电流很小，所以散射噪声不是m o s f e t 的重要噪声源。 3 3 4m o s 管的栅极噪声 m o s 管的栅极噪声是m o s 管热噪声的一种，是m o s 管高频表现出来的 一种除沟道噪声，1 f 噪声外的噪声，是指m o s 管的导电沟道中电流的变 化通过栅极与源极之间的电容c 。耦合到栅极上产生的噪声，这种噪声的一 部分实际上是和沟到电阻相联系的，栅极的多晶硅电阻产生的噪声与沟到 电阻是没有联系的，所以这种噪声与栅极的多晶硅的电阻产生的噪声是不 同的噪声。m o s 管的栅极噪声的计算公式由v a nd e rz i e l 于l9 8 6 年提出，其 简单的公式如下【1 7j ： 名= 4 k 7 - 万g g 厂 ( 3 4 ) 与漏噪声不相关的另一部分棚噪声功率谱可以表示为【1 8 】： 1 4 尽管m o s 管的栅极噪声源小于沟道噪声源，但是等效到输出端的m o s 管的栅极噪声输出噪声功率谱密度比沟道输出噪声功率谱密度大1 个数量 级，原因是m o s 管的栅极噪声源处于输入端，电路的跨导使得m o s 管的栅 极噪声在输出端增大到超过沟道的贡献，所以在l n a 的设计中考虑m o s 管 的栅极噪声的影响。 3 4 最佳晶体管宽度选择 通过前面的l n a 的噪声公式的计算，根据上述的两个主要的噪声源对 放大器输出端的贡献，我们可以方便的得到l n a 的噪声系数如公式( 3 13 ) 和( 3 14 ) 公式的最后一项的分子和分母都出现了q l 因之，因此存在特定 的q l 使得在某一个特定的工作电流i d 下l n a 的噪声系数最低，根据q l 与 m o s 管的栅极宽度的对应关系，可以计算使得l n a 的噪声最低的m o s 管的 栅极的宽度w 。可以利用软件m a t l a b 进行仿真。因为设计一个低噪声放 大器，当然首先考虑的是应该怎样设计才能使电路的噪声系数( n f ) 降至 最低，而对于我们的设计低功耗r fc m o s 低噪声放大器不但要考虑到使其 噪声系数最小，而且必须使它的功耗也达到最优。所以我们必须在表示噪 声系数的同时还要明确的把功耗损耗考虑在内，因此必须要用相应的噪声 重庆邮电大学硕士论文 第二章低噪声放人器分析与设计 优化技术。在对功耗指定了范围后，用下面所述的方法可以计算出最优化 的器件以使功耗指定后的噪声最小。 首先，由最优噪声理论得到的噪声因子为【1 7 】： f = f m n + 争( g s g o p f ) 2 + ( b s b o p f ) 2 】 一s 为了简化过程，我们假设所选择的源电纳b 。和b o d 。很接近， 值可以忽略不计。那么噪声系数的表达式就可以简化为： f = f m i n + 譬( g s g o p f ) 2 u s 利用m o s 管的等效二端口网络的噪声参数得： ( 3 15 ) 两者之间的差 ( 3 16 ) f 吒n + 【赤】【1 一等】2 q 告= 赤心= 罢= 口痧 口，g m ，q o p f 和q s 都和功耗有关，我们需要这种关系明确化，由漏电流得： ，o 一批r 箍 ( 3 1 8 ) 其中= 屹s 一屿，坼是阈值电压，f 和气f 是指饱和时电子速度以及饱 和时场强度，有r e s a f 2 。设p = 一岈肛e s 酊，有 d = 眦c & y s a f e s a f p 2 ( 1 + p ) ，由此，功耗可表示为： p = d ，d = d 饥位y s a f e 品f 乇 2 急2 等- 老2 半器 设口= 吾罟箸，有= 半c o x k a f 口= g d 。口，由此可知其中于功耗有关得为 口= 器如每南，鼽昂= 曼垦篚盘f 2 彩尺s 因此，公式3 13 可以用p 和得函数来表示， f ：1 + 掣尸( 肛) ( 3 2 0 ) 3 f ”叫 1 6 重庆邮电大学硕+ 论文第三章低噪卢放人器分析与设计 p 。p d ，：釜! ! 二壹! 三兰妻竺二星妾! 。3 纠， 这样就可以在固定得昂的情况下，通过型萼刍盟：o 的道噪声系数最小的 p 值，此时有： 小鲁c 店”c 2 ) 【1 + 厅 2 2 ， 带入o ，可以得到功耗受限下的噪声系数为最小的q 。的值： 一厨+ 乒扣翻 由q s _ d p f ，可得最优化的c g s 的值为c g s ，o p f = 1 ，缈尺s ，o p f ， 化的m o s 管的宽度表达式为： f - ( 丢- c o x 缈尺s q l i o p f ) 。1 由此，在功耗式受限条件下的噪声系数为： ( 3 2 3 ) 于是，可以得到最优 ( 3 2 4 ) f m i n = 1 + 2 4 上旦 ( 3 2 5 ) 口听 f 因此，为了设计低功耗的l n a ，我们可以用此种噪声优化方法进行噪 声控制，同时以共源共栅的l n a 结构可以保证很好的输入匹配。这样，我 们在有明确功耗的情况下仍可以得到几乎是最好的噪声系数，同时在输入 端的良好匹配也保证了很好的增益。 3 5 共源共栅结构低噪声放大器的分析与设计 3 5 1 共源共栅结构低噪声放大器的分析 由于源极负反馈结构的设计目标是实现输入匹配和低噪声系数，所以 一般情况下不能提供低噪放所需的足够增益。另一方面，由于m o s f e t 的 栅漏寄生电容c g d 的存在，会在m o s f e t 的输入和输出端引起反馈。这样， 一方面会恶化低噪放的噪声性能另一方面，会使系统不稳定。所以低噪放 1 7 重庆邮电大学硕士论文 第三章低噪声放人器分析与设计 必须采用两级结构，即在第一级用电感源极负反馈的基础上，再加上第二 级实现增益指标和抑制第一级的栅漏寄生电容c g d 因此，采用共栅结构的 第二级级联电感源极负反馈的第一级。形成共源共栅结构，又称c a s c o d e 结构。如图3 3 ( a ) 所示。共源共栅结构的优点是在提供足够大增益的同 时，可以抑制第一级的栅漏寄生电容，做到输入和输出端很好的隔离，这 样不仅提高了稳定性，还增强了噪声性能。 由图3 3 ( a ) 所示，为一传统的共源共栅低噪声放大器结构，图3 3 ( b ) 为此结构的小信号等效模型，包含了第一级晶体管漏极与栅极间的感应电 容c 。l ，此电容在传统的低噪声放大器结构中，影响其高频的频率响应， 此现象即是所谓的密勒