（物理电子学专业论文）cmos射频前端中低噪声放大器的设计.pdf

y 6 8 9 2 2 8 浙江大学硕士学位论文 摘要 基于 c m o s 工艺的 射频i c 前端存在广阔的市场， 具有良 好的应用前景，是目 前 无线通信研究中的热点。c m o s 射频无线接收前端电路由发射和接收模块组成，其中 低噪声放大器是射频接收模块的关键部分。 在c m o s 射频低噪声放大器的设计中还存在着一系列未解决的问题。 本文系统讨 论了目 前c mo s 射频低噪放的三种主流拓扑结构 ( 共栅结构、共源共栅级联源极负 反馈结构、反相器结构)的性能，讨论的重点是低噪放的噪声优化，主要研究内容 如下: 1 、 分析了共栅结构的低噪放的性能， 指出这种结构的低噪放的最大缺点在于他 的 较差的 噪声 性能， 并 提出了 一 种 通过 提高 m o s f l t 的s 。 的 优化方 法， 他可以 在不 影响低噪放的增益的同时大大改善低噪放的噪声性能。 2 . 详细分析了 共源共栅级联源极负反馈结构的低噪声放大器， 系统讨论了低噪 放的二个 主要的噪声源，即输入共源管、级联共栅管、片上集成螺旋电 感的 伴生电 阻的噪声贡献，并分别提出了优化设计的方法。 3 、讨论了反相器结构的低噪放，指出这种低噪放的优点和缺点。 关 键词: c mo s 射频集成电 路、 低噪声放大器、 噪声系数、 共栅结构、 共源共栅级 联源极负反馈结构、反相器结构 浙江大学硕士学位论文 ab s t r a c t s y s t e m o n a c h i p ( s o c ) h a s b e c o m e t h e m a i n f o c u s i n t h e a re a o f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n . w i t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f m o b i l e r a d i o in d u s t r y , l o w p o w e r c o n s u m p t i o n a n d h i g h in t e g r a t i o n b e c o m e k e y c h a r a c t e ri s t ic s t o r e d u c e c o s t s a n d w e i g h t s a n d e n h a n c e t h e r e l i a b i li ty o f s y s t e m . f o r a c a n d i d a t e o f t h i s r e q u i r e m e n t , c mo s t e c h n o l o g y d r a w s a t t e n t i o n s d u e t o i t s m a t u r e a p p l i c a t i o n i n b a s e b a n d u s e s . a s t h e f i r s t b l o c k o f t h e w i r e l e s s r e c e i v e r f o l l o w i n g a n t e n n a , t h e n o i s e p e r f o r ma n c e o f l n a d e te r m i n e s t h e n o i s e p e r f o r m a n c e o f t h e e n t ir e s y s t e m . t h e r e f o r e , t o i m p r o v e t h e s e n s i t i v i ty o f t h e r e c e i v e r , t h e n o i s e f i g u r e o f t h e l n a ( l o w n o i s e a m p l i f i e r ) m u s t b e m i n i m i z e d a n d e n o u g h g a i n m u s t b e p r o v i d e d . t h i s p a p e r m a i n l y f o c u s e s o n t h e i s s u e s o f r f c mo s l n a o p t i m i z a t i o n . t h e r e a r e a l o t o f u n s o l v e d p r o b le m s i n r f c m o s l n a d e s ig n in g . i n t h i s p e r f o r m a n c e o f t h r e e m a i n l n a t o p o l o g y ; i . e p a p e r , t h e c o mmo n g a t e s t r u c t u r e , c a s c o d e wi t h s o u r c e d e g e n e r a t i o n s t ru c t u r e , a n d i n v e r t e r s t ru c t u r e , i s d i s c u s s e d i n d e t a i l , a n d t h e m a i n r e s e a r c h a r e a s a r e : f i r s t l y , c o m m o n g a t e l n a i s d i s c u s s e d d e t a i l e d a n d o n e m e t h o d t o o n t i m i z e t h e n o i s e p e r f o r m a n c e i s p u t t o r w a r d b y i n c r e a s i n g t h e tr a n s c o n d u c t a n c e o f t h e c o m m o n g a t e t r a n s i s t o r . s e c o n d l y , n o i s e p e r f o r m a n c e o f c a s c o d e w i t h s o u r c e d e g e n e a n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y . a f t e r c o n s i d e r i n g n o i s e c o n t ri b u t i o n fr o m s o u r c e o f t h i s s t ruc t u r e , i .e . t h e i n p u t tr a n s i s t o r , t h e c a s c a d e tr a n s i s t o r , r e s i s t o r o f t h e p l a n a r i n d u c t o r , a n d t h e m e t h o d o l o g i e s a r e s u g g e s t e d t o p e r f o r m a n c e . r a t i o n s t ruc t u r e i s t h r e e ma i n n o i s e a n d t h e p a r a s i t i c a l i m p r o v e t h e n o i s e l a s t l y , t h e a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e o f t h es t r u c t u re a r e d i s c u s s e d k e y w o r d s : c mo s r f i c ; l o w n o i s e a m p l i f i e r ; n o i s e f i g u r e ; c o m m o n g a t e s t ruc t u r e ; c a s c o d e w i t h s o u r c e d e g e n e r a t i o n s t r u c t u r e ; i n v e r t e r s t ruc t u r e 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 概论 在近 卜 年来，通信技术获得了 惊人的发展，而无线通信技术是其中发展最为迅 速的一个分支。今天无线通信技术己经广泛应用到人们生活中的各个领域，如:高 速语音、 数据、 图文与图 像传输、 蜂窝式个人通信与 基地站、 低轨道卫星移动通信、 无线局域网、无线接入系统 ( 包括蓝牙)、 全球卫星定位系统、卫星直播电视和多 点多址分布系统，智能交通系统 ( 如:道路交通状况的监测)、智能交通系统 i t s ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t s y s t e m s ) 和多媒体移动接入通信系统m m a c ( m u l t i m e d i a m o b i l e a c c e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s )等等。 无线通信技术从他的诞生 ( 1 9 0 1 年， 英国科学家马可尼成功的实现无线电信号 跨越大西洋)发展到今天，经历了 一个漫长而曲折的过程，其间很多科学技术对于 无线通信的发展起了重要作用，然而造就无线通信技术今天的辉煌局面的技术应该 首推射频技术和微电子技术。勿庸置疑， 射频微电 子是当代移动通信技术的 基础。 如何在微电子技术的基础上，有效的实现无线射频前端是无线通信技术的 关键，也 是无线通信技术的最大挑战。 无线通信技术的总趋势是走向高速化、大带宽。移动通信在射频微电子技术基 础上与计算机技术密切结合， 产生了革命性的飞跃， 短短的1 0 多年间， 第一代模拟 移动通信系统已广泛应用，第二代数字移动通信正日 益普及，第三代 ( 3 g ) 全球综 合移动通信系统也即将面世。 而r f i c则毫无疑问的成为3 g无线终端中最为核心的 技术，射频电路板模块设计也将在3 g基站中扮演重要角色。 对于手机r f i c 器件的研究表明， 在2 g 手机中 所使用的r f i c 基本上是单功能的。 例如， 功放、 t / r 组件、滤波器、频率合成器等器件大都是独立的r f i c ， 而3 g 手机 r f i c 则要实现模块化， r f i c 器件的 发展是朝向集成度更高的方向发展， 使一部手机 中实现只含2 -3 块i c 芯片。 早在 机的 框架 f i l ， 如图1 - 1 , 池更省。 由图1 - 1 可以看到， 频部分采用g a a s 工艺。 1 9 %年t r 心u i n t 半导体公司就提出了 三芯片无线手 该公司指出， 将s i 和g a a s 技术结合起来会使成本更低、电 手机基带采用c mo s 工艺， 中频为双极或b ic m o s 工艺， 射 这种方案把三种工艺相结合， 体现了 各种工艺的优点， 集成 度也较 高， 在日 前手 机产品 中 也有 采 用， 如 文 献p 1 用t g a a s m e s f e t 设i i 出了应用于p h s 系统的1 . 中 的 手 机 终端。 文献 2 1就成功采 9 g h z 单片射频收发芯片。 近几年来的技术实践和市场竞争， r f 前端实现的工艺选择逐渐明朗化。 一方面， 基于g a a s 工艺的微波和毫米波技术正朝着减少成本、 提高产率、 行竞争的方向 发展3 1 与常规s i 基电路进 浙江大学硕士学位论文 图j 一 j。 三芯片手机” 示意图 另一方面，由于c mo s 工艺是制做基带数字电路的主流工艺，是一种低功耗工 艺技术，在以下方面具有优势:1 . c mo s 工艺容易获得。国内有中芯，华虹，先进 等半导体工艺厂商可以提供加工服务:美国m o s i s 向全世界提供多项目晶圆的服 务。 2 . c mo s 流片成本比 其他工艺 低。3 . c m o s 电路消 耗小， 集成度高。 随着亚微 米、深亚微米c m o s 工艺的成熟， 特征尺寸减小，也即是m o s f e 丁 栅长不断减小， 深亚 微米c m o s 器件的 特征频率不断 提高。目 前 对于0 . 3 5 u m 的工艺的 特征 频率 斤 可 以 做 到5 0 g h z ， 对于0 .2 5 u m , 0 . 1 8 u m , 0 . 1 3 u m 的 c m o s 工艺， f t 可以 更高， 甚 至超 过 1 o o g h z ，制备高于2 g h z c m o s 器件早己 成为现实。因此，利用这一技术研制 r f 前 端成为 移动 通信终 端设计中 最为 活跃的 课 题 4 1 5 1 。 因 为 若能 在这一工艺 上实 现 r f 前端， 则下一步就有可能实现整个移动通信终端的单片 集成， 即促成硅上 “ 蜂窝 电话机”成为现实。 无线射频前端的发展目 标是:实现移动通信终端的单片焦 h $ , 1 . 2 无线射频前端的结构 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，如图 1 - 1 所示，其 中接收模块是收发器中的主要部分。接收模块的主要功能是从众多的电波中选出有 用信号，并放大到解调器要求的电平值后，再由解调器解调，将信道信号变为基带 信号。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。常见的结构有:超外差式接收、零中频接收。 无 线 接收中 最经典结 构 是 超 外 差 接收( 或 称中 频接收) 6 j ， 如图1 - 2 所 示。 外差 式又可以 选择一次变频方法和二次变频方法. 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、自 动增益控制等处理。它使用大量高品质因 数的分 离元件构成单元电路来实现高选择性和高灵敏度. 主要包括低噪声放大器、 混频器、 射a / 中 频镜像频率抑制滤波器和频率合成器等等。 二次变频方案是先将射频信号转 浙江大学 硕士学 位论文 换到高中频， 再将高中频转换到 低中 频， 在低中频进行信道选择等处理。这种方法 相对于一次变频， 可以降低对元件性能的要求， 如降低了 对滤波器品质因数的要求， 但是引入了 更多的元件， 增加了 系统的复杂性。无论是一次变频方案还是二次变频 方案，超外差式接收机的最大缺点是组合干扰频率点多，这是因为混频器不是一个 理想的乘法器，而是一个非线性器件，会引入大量交调分量，因 此对滤波器的要求 非常高。 - _ _ _. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ( a )发射部分( b )接收部分 图1 - 2 通信机射频级电路方框图 图卜3 超外差型接收机结构 超外差式接收机的另一个问题是存在镜像频率干扰问题，即在下变频过程中， 有用信号及其关于本振信号对称的镜像频率信号将被变换到相同的频带内， 形成干 扰。为消除此干扰，己 经提出了许多镜像频率抑制结构， 最主要的有h a rt l e y 型接收 机如图1 - 4 ( a ) 所示、 交织型接收机( w e a v e r r e c e iv e r ) 如图1 - 4 ( b ) 所示。 h a r t l e y 结构具有为镜像抑制功能，但是要做到有效的实现镜像抑制接收，必须满足两点要 求; 1 ) 两支路尽可能一致， 其中 包括本振信号的幅度、 混频器的增益、 低通滤波器 的 特性; 2 )正交要精确，即两路本振信号 要尽量做到精确的相差9 0 0 。交织型接收 机是利用二个正交混频器代替9 0 0 移相器， 可以很好的抑制镜像频率的干扰， 但是他 在电路结构上较为复杂，所以应用较少。 要消除镜像频率干扰问 题，可以 使用零中频接收 机。 器， 如图i 一5 所示， 零中频方案是让本振频率等于载频， 的方案，其好处是绝对不存在镜像干扰频率。 零中 频接收使用一个混频 将载频直接下变频为基带 然而如果采用零中频方案，本振信号 很容易从混频器的射频口泄漏，通过高频放大器泄漏到天线，形成对邻道的干扰。 同时零中频结构还会产生直流漂移 ( d c o ff s e t ) , 影响模块的工作， 改变各级放大器的直流工作点， 而直流漂移的解决方法现在仍然不成熟。 浙江大学 硕士学位论文 ( a ) h a rt l e y 结构 ( b ) w e a v e r结构 图 卜4 常用镜像抑制结构 图卜5 零中频方案原理图 发射模块的 任务是完成基带信号 对载波的调制， 将其变为通带信号并搬移到所 需的频段上 大功率信号 ，且有足够的功率发射。发射模块发射的信号是处于某一信道内的高频 ，应该尽量减少其对邻近信道的干扰，所以发射模块的主要指标是:频 vu 、功率和效率。 发射模块的方案一般有两种: 成， 这种方法称为直接变换法， 二是将调制和上变频分开， 先在较低的中频上调制， 在将已 调制信号上变频搬移到发射的 频谱上， 这叫二步法。 直接变换发法的优点是 结构简单， 但是也有明显的缺点，可能 会由 于射频信号泄漏影响本振，牵引 本振功 率， 产生千扰。二步法可以明显的减弱直接变换法的 缺点， 但是以引进新的元件， 增加系统复杂性为代价。关于两者的 优缺点，具体讨论见文献(e ) 相关章节。 浙江大学硕士学位论文 由图 1 - 1 通信机射频级电 路方框图可以 看出， 低噪声放大器是射频通信系统中 很重要的模块，我的课题就是对这个模块进行分析研究和优化。 1 . 3应用于无线射频前端的集成技术 现代移动通信的发展要求低成本， 低功耗， 高集成度的集成电路。 在这些集成 电路中，射频前端的集成是非常困 难的。为了实现射频前端集成，选择合适的技术 是重要的。 日 前的 射频 集成电 路 工艺 包括 双极( b i p o l a r ) , g a a s 和 c m o s 工艺 (e , 。 工 作 频率最 高的是g a a s 器件。g a a s 是一种化合半导体材料，性能稳定，工艺成熟、最高频率可 以 达到 i o o g h , ，在超高速微电子学和光电子学中占据了重要地位，近几年来在超高 速和低噪声电路中发展极快。 用在射频集成电 路中的双极工艺包括:纯双极， b i c m o s 和s i g e h b t( 异质结) 。 和c m o s 工艺相比， 双极工艺有两个明显的优点: 一是在相同的偏置电流下， 跨导大， 从而有利于在较低功耗下获得高增益;二是有较高的增益带宽积，可以提高工作频 率。 b i c m o s 工艺是把双级工艺和c m o s 工艺集成在一个h i 衬底，他集中了 双极t艺 的高增益， 高速， 驱动能力强的优点和c m o s 工艺的低功耗和高集成的优点。 但b i c m o s 工艺中的双极器件性能没有纯粹的双极工艺好。 b i c m o s 的工艺处理较复杂， 成本较 高。异质结是由不同半导体形成的p n 结。异质结双极晶体管 ( h b t )是发射区采用 轻渗杂的宽带隙材料，基区采用重渗杂的窄带隙材料，同时得到高增益和高频率。 s i g e - h b t 是利用先进的外延技术， 外延s i g e 合金作为基区的双极晶体管， 目 前 主要应用在高频大功率器件和微波集成电路， 他较g a a 。 的优势在于成本低和易于集 成。 但是，双极工艺的问题在于无法实现与基带部分的集成。 c m o s 器件的 优点在于线形好， 集成度高，工艺 成熟， 价格便宜，可以 与基带部 分集成到一起。 但是难点在于硅基c m o s 单位电流增益频率相对较低。 但是如果c m o s 的单位电流增益频率能提高到较高的频率水平， 就可能使得硅基 ;m o s 技术取代双极 和砷化稼工艺，成为r f 前端设计的主流。 本论文的讨论是基于目 前最有发展前景的c m o s 技术。 1 .4 c m o s无线射频前端的历史、现状和未来 c m o s射频前端的 发展目 标是片上系统 ( s o c ) 。片上系统的最终目 的是要把 接收或发射系统集成为一块芯片，从而减少体积， 无线接收或发射系统， 大体可分为两部分: 降 低功耗和减少成本。对于整个 基带部分( b a s e b a n d ) 和射频部分( r a d i o f r e q u e n c y , r f ) 。 对于基带部分， 其处理的 信号为数字信号， 工作频率较 低， 成熟 的 微电 子t艺为c m o s ( c o m p le m e n t a ry m e t a l- o x id e - s e m i c o n d u c t o r ) t艺。 对于射 频部分， 其处理信号为模拟信号，工作频率在 1 g h z 以上， 成熟t艺为g a a s 。 但是 采用g a a s 工艺的射频部分不能和采用c m o s 工艺的基带部分集成， 也即 是做不到 浙 江大 学 硕士学 位 论文 片上系统，所以基带部分和射频部分必须选择一个相同的工艺。由于基带部分的 c mo s 下艺相对来讲已 经比较成熟， 改变基带部分工艺的可能性和可行性不大。同 时，随着c mo s下艺的发展，其截止频率可到5 0 g h z 以上，例如，对于mo s f e t 栅长 ( g a t e l e n g t h ) 为0 .3 5 m的c m o s t艺， m o s f e t 的 截止 频率己 在5 0 g h z 以 上。通常情况下，mo s f e t的工作频率为截止频率的十分之一，也即是对于0 . 3 5 m 的c m o s工艺，m o s f e t的t作频率至少可到5 g h z ，甚至做到几十g h z , 5 g h z 的工作频率对目 前采用的无线通信系统而言已经足够。在可以预计的将来，随着 m o s f e t的栅长进一步减少，达到纳米级时，其截止频率将会进一步增大。 所以 c m o s 工艺用于射频部分在目 前工艺水平下完全可能。 射频集成电路设计始于 1 9 % 年左右， 由 t h o m a s h .l e e 等教授倡导， 近几年来得 到飞速的发展。到目 前为止己有大量关于c mo s 低噪放、混频器、锁相环和收发芯 片的 实 验室设 计出 现(7 )8 9 ， 但尚 未 有成熟的 商 用产品出 现。 其中关于c m o s 低噪放的研究已 经取得了一定成果， 也是最近几年来研究的一大 热点。 1 . 5 c m o s射频前端中的低噪声放大器 低噪声放大器 ( l o w n o i s e a m p l i f i e r 简称l n a ， 低噪放) 是射频接收前端的主 要组成部分。臼 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。 低噪放的主要技术要求如下: ( 功 从放大增益的角度看。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是衰减了 很大( - 1 4 0 d b m - - 4 0 d b m或 。 。 0 3 u v 3 m v ) 的信号， 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。这是因为对于外差式接收机 ( 这是 当 前 普 遍 使用的 r f 接收 机结 构川 ， ) ， 低噪 放后面 是一 个滤 波 器， 再 后面 就 是混 频器。 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 也有个别的应用超过了 2 2 d b l , ( 2 ) 从噪声系数来看。 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 。 但是实际上，1 9 9 8 年以来大多数 i e e e 上报导的低噪放设计 都有小于3 d b 的噪声系数。 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 )从二阶失调截点t t p 3 ( 定义为三阶互调功率和基波功率相等时的 输入功 率) 的指标来看。 工 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 p 低噪放的i i p 3 大于一 1 0 d b m . ( 4 ) 从功耗角度看，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 浙江大学硕士学位论文 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。 ( 6 ) 低噪放的设计还需要满足如增益平坦度，反向隔离等性能。但对于射频 集成前端低噪放的设计，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。 图卜6 一种共栅结构的低噪放 c m o s 射频前端低噪放的拓扑结构主要有三种即 共栅结构， 共源结构， 反相结构。 图 1 - 6中给出了一种共栅结构的 低噪放12 1 。与没有源端负反馈 ( s o u r c e d e g e n e r a t i o n )的共源组态电路( 下文将详述) 相比， 这种共栅结构的电 路提供了 较小的噪声系数， 输入5 0 0 阻抗匹配网络和较高的线性度， 这种共栅电路还有利于 提高外差型接收机 ( 即采用有中频方案的接收机)的反向隔离度。在第四章，笔者 详细分析了这种低噪放的性能，并且提出了一种通过提高共栅m o s f e t 的跨导来优化 低噪放的噪声性能的方法。 传统的共源结构由于输入匹配复杂，m 工 l l e r 效应的影响 ( 反向隔离性差)很少 被应用，然而增加源极负反馈的共源结构由于可以使用源极负反馈实现匹配，又在 共源极后面级联一个共栅极增加反向隔离性，提高稳定性能，所以得到广泛的应用 n .l i in l i iej i is l ， 如图1 - 7 所示。 目 前， 许多 文献 如 7 1 都 讨论了 这 种结 构的 噪声 性能 和优 化方法， 但是这些文献的分析和提出的 优化方法都是在只考虑输入共源管的噪声的 基础上而提出的，而没有考虑片上集成螺旋电 感的伴生电阻的 热噪声的影响， 也没 有系统讨论级联共栅管的噪声性能和优化方法。在本文的第五章，笔者系统分析了 低噪放的三个主要噪声源 ( 输入共源管、级联共栅管、片上集成螺旋电 感的伴生电 阻)的噪声贡献，提出了相应的噪声优化方法。 电 ,zm g a n m 黔 1 17 1 如图1 - s 所 示， 用 两个 长宽比 为 叮 2 动互 补 m o s f e t ， 在 可以获得与长宽比为夕” 韵n m o s f e t 相同的跨导，从而实现 低功耗、高增益和低噪声的折中，并且不降 低管子的工作频率。当 然这种结构的问 题在于p m o s f e t 的载流子迁移率往往要小于n m o s f e t ,以及其他一些参数的差别，使 浙江大学硕士学位论文 得p m o s f e t 的噪声性能不如n m o s f e t ，从而使得整体噪声有所增加， 但随着c m o s 工艺 的不断发展， p m o s f e t 和n m o s f e t 的性能必将不断接近，因此上面的问 题影响也将越 来越小。关于这种结构的分析见第六章。 厂 一 一叫、，i . 一 一 a 卜 呷品 叫彻润朴 ，熟 . 犷 一纱一，v,4 matching 旨 cut circuit 图 卜7 一种共源结构的低噪放 图卜8 反相结构的低噪放 1 . 6论文内容和成果及章节安排 本文的主要内容和成果如下: 命 对c m o s 射频集成前端中的共栅结构的 低噪声放大器进行了 研究， 得出了 提高m o s f e t 跨导8 m ， 可以 在不 影响 低噪放的 增益的同 时大大改善 低噪放 的噪声性能。 令 对c m o s 射频集成前端中的 共源共栅级联源极负反馈结构的低噪声放大器进 行了 研究。 文章区分了低噪放的三个主要噪声源: 输入共源管， 级联共栅管， 片上集成螺旋电感伴生电阻， 并在此基础上讨论了他们的噪声贡献， 分析对 这三个噪声源的噪声进行优化的方法，得出以下成果: 首 次考虑了级联共栅级的栅噪声的影响，得出了 噪声系数的完整表达 式。 首次考虑了片上集成螺旋电 感伴生电阻的热噪声对输入共源管栅宽选 择的 影响， 求得了 优 化 放大 器 等效 跨导g和功 耗 p 的 最 佳栅宽。 提出了 一种通过加入级间并联电感， 优化级联共栅级的噪声， 从而优化 低噪放整体噪声的方法。 讨论了 级联共栅级的栅宽对噪声的影响， 得出噪声最小的级联共栅级的 栅宽的选择原则。 本文各章内容安排如下: 第一章从工程角度，讨论了 射频电 子技术的发展和无线收发机的结构原理: 第二章讨论了噪声理论，包括噪声系数，级联网络的噪声系数和二端口 噪声理 第三章讨论m o s f e t 技术，包括了m o s f e t 的历史，结构， 路，网络参量，m i l l e r 效应，噪声分析和稳定性分析: 模型，小信号等效电 浙江大学硕士学位论文 第四章对 c m o s射频集成前端中的共栅结构的低噪声放大器进行详尽讨论和分 析，提出了一种优化设计的方法并加以验证。 第五章对 c m o s射频集成前端中的共源共栅级联源极负反馈结构的低噪声放大 器进行详尽讨论和分析，提出了详尽的优化设计方法进行优化并给出理论依据和实 例分析。 第六章对 沦和分析。 c m o s射频集成前端中的反相器结构的 低噪声放大器的优缺点进行讨 第七章对全文进行总结，并对未来r f 电路的发展进行展望。 浙江大学 硕士学 位论文 第二章 噪声理论 评价射频前端性能的好坏，噪声性能是很重要的指标。 噪声是一种随机变量，他来源于射频系统的各个元件， 机所能接收到的最低信号电平直接受到射频部分噪声的限制如电阻的热噪声。接收 2 . ，噪声的统计特性 噪声是一个随机过程，即使知道了过去的噪声的大小， 不能被预测。虽然不能预测噪声的瞬时值， 噪声的值在任何时候都 此引 入了 噪声功率谱s ( f ) 的概念， 但是噪声的平均功率是可以预测的，因 它表示单位频带内的电流或者电压方均值， 单位 是d b m / x z。引入功率谱可以 避免叠加时相位的不确定性。 以 电 流 功 率 谱 表 示 的 噪 声 功 率 表 示 为 : 一 犷 s ,(f )df ， 他 是 用 电 流 量 表 示 的 功 率 is 密 度 在 频 带 厂 一 儿 内 的 积 分 值 。 以 电 压 量 表 示 的 噪 声 功 率 为 p , 一 广 s , ( f )d f , 它 是 用电 压量表 示的 功 率谱 密 度在 频 带石 一 人内 的 积 分 值。 也常 用噪声电 流 均方值 i z 和 噪声电 压 均方 值v ， 表示 频 带f - f内 单 位电 阻 上的 噪声 功 率。 2 .2 噪声系数 有噪系统的噪声性能通常用噪声系数 ( f ) 表示 i= p ;/ n .与输出 信噪功率比 ( s n r ) . = p 州。 的比 值: ， 即系统输出信噪功率比 ( s n r ) p . / n 二 二. 目一， -种 - 尸 。 / n n ( 2 一 1 ) 噪 声 系 数 表 征 了 信 号 通 过 系 统 后 由 于 系 统 内 部 噪 声 造 成 的 信 噪 比 的 恶 化 程 度 。 噪声系数常用分贝表示: n f ( d b ) 二1 0 l o g f ( 2 一 2 ) 2 . 3 多级线形级联网络的噪声系数 在射频接收前端，信号要经过诸如滤波器、低噪声放大器、混频器等一系列单 浙 江大学 硕士学位论文 元模块，每个单元都有其固有噪声，因此经过传输后噪声系数将变坏。如图 2 - 1 , 汽 ， 人凡为 从 源端开始 各 个级 联单元的 噪 声 系 数， 味1 ， 乓2 气 为 从 源端开 始各个 级联单元的功率增益，y s 为 信号 源， 则 整个系 统的噪声系数u il 可以 表示为: f=f , +f - 兰 十f - 上 十 g , g p , g f 2 ( 2 一 3 ) 图2 - 1级联单元示惫图 由 式 ( 2 -3 )可以看出，前面几级对整体噪声影响较大。因此要提高整体噪声 性能，必须降低前面级的噪声系数，并适当提高其功率增益。低噪声放大器作为射 频接收前端中除天线外的第一级， 其噪声性能无疑将在很大程度上决定整个射频接 收前端的噪声性能，因此噪声性能对于低噪声放大器是至关重要的。 2 .4 二端口噪声理论 任何一个有噪网络的内部噪声都可以由置于输入端的两个噪声源表示:一个和 信 号 源 串 联 的 噪 声 电 压 源 可 和 一 个 并 联 的 噪 声 电 流 源 万 等 效 。 而 把 该 网 络 看 作 无 噪 网 络w l ,x i。见图2 一 2 : 图2 - 2二端口噪声等效示意图 其 中 。 ， 是 当 输 入 端 短 路 时 ， 有 噪 网 络 的 输 出 噪 声 功 率 等 效 到 输 入 端 的 值 ， 而 in z 是输入端开路时，有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值。 用二端口噪声理论等效有噪网络后，则该网络的噪声系数可以表示为: n f = 二!理上 zli + y,e i 犷 ( 2 - 4 ) 由 于 通 常 情 况 下 ， e 和 万 是 相 关 的 。 如 果 将 可 表 示 为 与 可 相 关 的 部 分 万 以 及 不 相关 部 分 之和: 1 = 1, + 1 ( 2 一5 ) 浙江大学硕士学位论文 由 于1. 与e相关， 可以 表示为: 1 1 二 y e , 则噪声系数可以表示为: ( 2 -6 ) 入f =i , 2 十 十 y e + y e . 2 其中包括 3 格部分， = 1 十 亚巨叮 -enzi 2 + iy + y iz z ( 2 一7 ) 每一部分都可以表示为等效电阻或者电纳产生的热噪声 ( 2 -8 ) ( 2 -9) ( 2 一 1 0 ) )p i nf 一g + iy + y,12 rn = 1+ g + (g + g )2+ (b + b,)2rng, g . 从 而噪 声 特性就由 四 个参 数q， 叹， b . , 凡表示。 因 此当 b , = b = b , ( 2 一 1 1 ) ( 2 一 1 2 ) ，( g ._，_ 从 = j 首+ (vr 一 v ( 2 一 1 3 ) 噪声系数最小为: nf, 一 ，+ 2 r , 了 骨 + g 2 + g ) ( 2 一 1 4 ) 噪声系数可以表示为: n f = n f . ,. + r n ( g , 一 g op t ) 2 + ( b - b ,) 2 ( 2 - 1 5 ) 因此为了最小化噪声系数，源端阻抗必须满足特定条件，也就是有一个噪声系 数最小的匹配。 另一方面为了满足传输功率最大， 输入输出一般都要做5 0 欧姆匹配。 一般情况下， 这两种匹配是不一样的。 因此究竟取哪一种匹配， 要依据电路的要求。 对于无线射频前端，由于输入信号很小，因此一般取功率传输最大匹配，这就必然 要牺牲一部分噪声性能。 浙 江大学 硕士学位论丈 第三章 m o s f e t 技术 夸 3 . 1 m o s f e t 技术的历史 m o s f e t 金属一氧化物一半导体场效应晶体管)的概念来源与1 9 3 0 年 j . e . l i l 工 e n f e l d 申 请的 专 利( ib 7 . 。 这早 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 年代初才开始运用，开始都是n 型的。 2 0 世纪6 0 世纪中期发明 的互补m o s ( c m o s ) 器件，引起了 半导体工业的一场革命。 c m o s 技术很快占 领了 数字市场: 他所具有的只在开关期间消耗功率和只需很少 的元件的特点是它相比 相应的双极型 和砷化稼电 路所具备的两个显著优点。而且相 比其他类型的晶体管， m o s 器件的尺寸更容易按比 例缩小， 而且c m o s 电路被证明具有 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。 但是开 始时c m o s 的缺点在于: 相比 双极型晶体管，它的 速度相当 慢，噪声相对大， 跨导电 流比较小， 截至频率相对低， 这就限制了 它的 运 用。 但是由于c m o s 丁艺的发展，尺寸按比例不断缩小，提高了 c m o s 器件的性能，提 高了截至频率，和开关速度，噪声性能也得到了改善，因此c m o s 工艺也逐渐成为模 拟电路乃至射频模拟电路的主流。 3 . 2 m o s f e t的结构 图3 一1 是一个简化的n 型mo s 管。在p 衬底上有两个重掺杂底 n 源区 ( s 和 d ) , 和 一 个重掺杂底多晶硅 ( g ) ，和一薄层二氧化硅绝缘层和衬底。p - s u b s t r a t e 是 衬底绝缘层下底部分，就是连接s 和d的部分。 门下源漏间部分是沟道的长度l ， 垂直的长度是沟道宽w，因为制造s / d过程 中 的 边 缘 扩 散 ， 真 正 的l 要 比s i d 之 间 的 距 离 要 小 一 点 。 避 免 混 淆 ， 与 = l - 2 几， 这 里 标是 有 效 长 度 ，l 是 总 长 度，几是 扩 散 的 长 度。 与和 栅 氧 化 层r ox 在c m o s 电路中扮演重要角色。 总的来说， mo s 技术的发展就是要减小两者的尺寸， 从一代 到另一代，通常只有这两者中的一个起变化。 浙江大学硕士学位论文 第三章m o s f e t 技术 3 1m o s f e t 技术的历史 m o s f e t ( 金属一氧化物一半导体场效应晶体管) 的概念来源与1 9 3 0 年 j + el i l i e n f e l d 申请的专利“”。1 。这早于二极管的发明。然而由于制造技术的限制， m o s 技术直n 2 0 世纪6 0 年代初才开始运用，开始都是n 型的。2 0 世纪6 0 世纪中期发明 的互 b m o s ( c m o s ) 器件，引起了半导体工业的一场革命。 c m o s 技术很快占领了数字市场：他所具有的只在开关期间消耗功率和只需很少 的元件的特点是它相比相应的双极型和砷化镓电路所具备的两个显著优点。而且相 比其他类型的晶体管，m o s 器件的尺寸更容易按比例缩小，而且c m o s 电路被证明具有 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 成奉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。但是开始时c m o s 的缺点在于：相比双极型晶体管，它的 速度相当慢，噪声相对大，跨导电流比较小，截至频率相对低，这就限制了它的运 用。 但是由于c m o s _ 丁艺的发展，尺寸按比倒不断缩小，提高了c m 0 s 器件的性能，提 高了截至频率，和开关速度，噪声性能也得到了改善，因此c m o s i 艺也逐渐成为模 拟电路乃至射频模拟电路的主流。 3 2m o s f e t 的结构 图3 1 是一个简化的n 型m o s 管。在p 衬底上有两个重掺杂底n 源区( s 和 d ，和+ 一个重掺杂底多晶硅( g ) ，和一薄层二氧化硅绝缘层和衬底。p s u b s t r a t e 是 村底绝缘层下底部分，就是连接s 和d 的部分。 门下源漏间部分是沟道的长度l ，垂直的长度是沟道宽w ，因为制造s d 过程 中的边缘扩散，真正的l 要比s i d 之间的距离要小一点。避免混淆，t ，= 三一2 g ， 这里是有效长度，三是总长度，三。是扩散的长度。厶r 和栅氧化层0 在c m o s 电路中扮演重要角色。总的来说，m o s 技术的发展就是要减小两者的尺寸，从一代 到另一代，通常只有这两者中的一个起变化。 浙江太学硕士学位论文 圉3 1 n m o s 简化结构