CMOS射频低噪声放大器设计

1、2020/7/7,1,低噪声放大器(LNA),张玉明 西安电子科技大学微电子学院 ,第11和第12章,2020/7/7,2,为什么要学习噪声知识？,电路能处理的信号的最小值等于噪声的水平 设计AIC时通常需要考虑噪声指标 体现在信噪比（SNR）这一指标上 低噪声AIC在很多领域有重要应用,2020/7/7,3,统计学特性,噪声是一个随机过程 每一时刻的幅值是不能预测的 哪些特性可以被预测？ 平均功率、功率谱密度（噪声谱）、幅值分布,2020/7/7,4,平均功率,有些随机过程的平均功率也不可预测,电路中大多数噪声源有固定的平均功率，可以预测,平均功率的定义：,若x(t)为电压信号，则Pav单位

2、为V2,均方根值（root mean square）的定义：,平均功率只反映了噪声的功率特性（幅值特性），没反映频率特性,2020/7/7,5,噪声谱,又称为“功率谱密度” (PSD: Power spectral density) ； PSD定义为：在每个频率上信号具有的功率的大小； 反映了噪声的功率和频率两方面的特性,X(t)信号的 PSD写为SX(f)； SX(f)定义为：f 附近1Hz带宽内X(t)具有的平均功率；单位V2/Hz,电路中大多数噪声源有可预测的噪声谱,2020/7/7,6,噪声谱,PSD在整个频率范围内为相同值 白噪声 定理 适用于线性时不变系统 分析电路噪声时的理论依据

3、,线性时不变系统： 具有叠加性、均匀性并且系统参数不随时间变化的系统,2020/7/7,7,噪声谱被H(f)“整形”,电话系统带宽为4KHz，声音信号的高频部分被滤除,2020/7/7,8,“双边”谱和“单边”谱,X(t)如果是实数，则SX(f)为f的偶函数（“双边”谱） 从数学角度看 f1，f2频率范围内x(t)总功率Pf1,f2 用带通滤波器测量的结果为“单边”谱（0到+Hz）,“双边”谱,“单边”谱,2020/7/7,9,幅值分布,概率密度函数 噪声瞬时值不可预测，但通过长期观察、统计，可以得到每个值出现的概率大小 PDF：Probability density function，定义为

4、： 许多随机量的PDF表现为高斯（正态）分布，如电阻的噪声,2020/7/7,10,相关噪声源和非相关噪声源,电路中通常同时存在多个噪声源 相关噪声源 噪声功率不可以直接叠加 非相关噪声源 不相关器件产生的噪声；噪声功率可以直接叠加,x1(t)和x2(t)不存在相关性时，第三项为零； 相关时第三项不为零； 相关性越高（波形相似程度），第三项的值越大,2020/7/7,11,相关噪声源和非相关噪声源,比赛前体育场中的观众交谈，产生非相关噪声，总噪声功率低,比赛中，观众齐声呐喊，产生相关噪声，总噪声功率高,AIC设计中研究的噪声源通常是不相关的，因此噪声功率可直接叠加,2020/7/7,12,噪声

5、的分类,“环境”噪声和器件噪声 “环境”噪声指来自电源线、地线、衬底等“外环境”的噪声（干扰） 器件噪声指构成AIC的器件本身所产生的噪声，如电阻、MOS管等 器件噪声 热噪声 电阻噪声、MOS管的沟道热噪声 闪烁噪声 MOS管,2020/7/7,13,热噪声,来源 导体中载流子的随机运动，引起导体两端电压波动 随机运动程度与绝对温度有关，因此噪声谱与绝对温度成正比 电阻的热噪声,噪声谱密度：SV(f)=4kTR,极性不重要，但在分析电路时要保持不变,2020/7/7,14,RC电路的输出噪声,计算RC电路的输出噪声谱和总噪声功率,1pF电容时为64.3V,与R无关，只能增大C来减小噪声,速度

6、和精度的矛盾,开关电容电路的采样噪声,2020/7/7,15,用电流源来表示热噪声,噪声可以用串连电压源来表示，也可以用并联电流源表示 多种表示的意义 选择合适的表示法，会降低电路分析的复杂度 完整表征噪声需要这两种表示法见“输入参考噪声”部分,2020/7/7,16,MOS管沟道区的热噪声,工作在饱和区的长沟道MOS管,不是体效应系数。 长沟道MOS管的=2/3 亚微米MOS管会很大（0.25微米工艺时为2.5）,单个MOS管能产生的最大热噪声电压：,减少gm可降低噪声。当gm不影响其他关键指标时，应尽量小,2020/7/7,17,MOS管欧姆区的热噪声,欧姆区热噪声 栅、源、漏的材料电阻引

7、入的热噪声,栅噪声 p.263 公式10,2020/7/7,18,MOS管的闪烁噪声,来源 载流子在栅和衬底界面处的俘获与释放，导致源漏电流有噪声 用与栅极串联的电压源来模拟 载流子俘获与释放多发生在低频下 其噪声功率与所选工艺密切有关,1/f噪声,减少1/f噪声主要靠增大器件面积,2020/7/7,19,MOS管的闪烁噪声,1/f噪声的转角频率fC,定义为： 热噪声和1/f噪声曲线的交叉点,用来界定1/f噪声起主导作用的频段,与面积和偏置电流有关。对于给定的L，fC相对固定。亚微米MOS管的fC在500KHz-1MHz之间,2020/7/7,20,MOS管的总噪声,在1KHz1MHz频带内，

8、计算NMOS管源漏电流的总噪声,1/f噪声：,热噪声：,2020/7/7,21,电路中噪声的表示,表示方法一输出参考噪声电压： 把输入置零，计算电路中各噪声源在输出端产生的总噪声,M1管的热噪声+M1管的1/f噪声+ RD的热噪声,这种表示法的不足： 输出参考噪声与电路增益有关，无法比较不同电路的噪声性能,2020/7/7,22,电路中噪声的表示,输入参考噪声反映了输入信号被噪声“侵害”的程度，能用于不同电路的噪声指标的比较,表示方法二输入参考噪声电压： 在输入端用一个信号源来代表所有噪声源的影响,2020/7/7,23,电路中噪声的表示,计算输入参考噪声电压,等效热噪声电阻RT ： 电路在单

9、位带宽内的总的输入参考热噪声等于RT 的热噪声,2020/7/7,24,电路中噪声的表示,仅用与输入串联的电压源来表示输入参考噪声是不够的,该电路由一信号源Vin驱动，信号源输出阻抗为sL1，电路输入阻抗为1/sCin。 若仅用输入参考电压源来表示噪声，则当L1增大时，计算得到的输出噪声会越来越小，与事实不符。,事实上输出噪声与L1和Cin无关,2020/7/7,25,电路中噪声的表示,用串联电压源和并联电流源共同来表示输入参考噪声,串联电压源和并联电流源的计算方法：,针对信号源内阻为零和无穷大两种极端情形来计算,2020/7/7,26,电路中噪声的表示,串联电压源和并联电流源的计算,2020

10、/7/7,27,电路中噪声的表示,用串联电压源和并联电流源同时来表示输入参考噪声，是否把“噪声计算了两次”？,没有,可以证明： 对任何源阻抗ZS，计算的输出噪声都是正确的,证明思路： 由Vn,in和In,in，求出Vn,X，再乘以增益(gmRD)，即可求出Vn,out,2020/7/7,28,电路中噪声的表示,2020/7/7,29,电路中噪声的表示,2020/7/7,30,电路中噪声的表示,2020/7/7,31,电路中噪声的表示,2020/7/7,32,二端口网络的噪声系数,YC相关导纳,2020/7/7,33,二端口网络的噪声系数,2020/7/7,34,我们已经明确地把每个导纳分解成电

11、导G和电纳的和。一旦给定二端口网络的四个噪声掺数（Gc,Bc,Rn,Gu)。,噪声最优和功率最佳,2020/7/7,35,MOS最小噪声系数和最佳噪声匹配,MOSFET有两个噪声源,2020/7/7,36,MOS最小噪声系数和最佳噪声匹配,1、提高漏电流和栅电流的相关性c可以减少噪声 2、工艺提高可以减少噪声 3、F和器件宽度没有关系，单位器件参数,噪声最优和功率最佳,2020/7/7,37,射频放大器中的功率匹配与噪声匹配,2020/7/7,38,低噪声放大器技术指标,LNA特点 主要参数：噪声系数、低功耗、放大器增益、输入阻抗匹配、线性度、隔离度等,2020/7/7,39,LNA特点,(1

12、) 位于接收机的最前端，这就要求它的噪声越小越好 (2)为了抑制后面各级噪声对系统噪声的影响，并对接收到的微弱信号进行足够的线性放大，要求放大器有足够大的线性范围，而且增益最好是可调节的。 (3)低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或滤波器相连，故放大器的输入端必须和它们有很好的匹配，以达到最大功率传输或最小噪声系数。 (4)应具有一定的选频功能，以及抑制带外和镜像频率干扰的能力,2020/7/7,40,噪声系数,输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值，表示信号经过放大器后质量的变坏程度。 实现低噪声的基本思路是:采用单管单级放大，以减小有源器件引入的噪声; 因为电阻有热噪声，所以匹配网络宜

13、用电感负反馈，而不宜用电阻负反馈。 整个接收机所允许的噪声系数一般在3dB以下。,2020/7/7,41,噪声系数,噪声系数用噪声温度（T）来表示：噪声系数与噪声温度的关系为： T=（NF-1）T0 或 NF=T/T0 +1 (T0-绝对温度290K) n级放大器的总噪声系数为：,2020/7/7,42,低功耗,实现器件便携化、小型化的重要指标。 降低功耗的根本方法是采用低电源电压、低偏置电流。,2020/7/7,43,放大器增益,放大器输出功率与输入功率的比值： G=Pout / Pin 提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。

14、 低噪声放大器的增益要适中，一般增益在10-20dB之间。,2020/7/7,44,控制增益的方法,改变放大器的工作点，由于LNA的增益与放大管的偏置有关，故可通过改变放大管的偏置条件来实现增益可控; 改变放大器的负反馈; 改变放大器谐振回路的Q值。 这些方法都是通过载波电平检测电路产生自动增益控制电压来实现的。,2020/7/7,45,输入阻抗匹配,依据最大功率传输理论，当LNA的输入阻抗与天线的内阻互为共扼时，称作输入阻抗匹配，LNA才能最大程度地接收该信号。 该匹配是以获得最大功率传输和最小反射损耗为目的的共轭匹配。 以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配。 在实现最大传输功率50欧姆匹配的

15、情况下，使噪声系数尽可能小。,2020/7/7,46,输入阻抗匹配的重要性,最大功率传输 前置滤波器要求50欧姆的负载终端 PCB连线需要：传输线走线，匹配终端情况下不用考虑走线长度,2020/7/7,47,实现阻抗匹配的方法,电感源简并 共栅放大器 并联电阻 并联串联反馈 共源放大器,2020/7/7,48,射频放大器的稳定性,2020/7/7,49,衡量LNA性能的参数及典型值,2020/7/7,50,LNA电路结构,基本电路结构 单端LNA 差分LNA,2020/7/7,51,具有并联输入电阻的共源放大器,2020/7/7,52,共栅放大器结构,2020/7/7,53,电路例子,2020

16、/7/7,54,基本电路结构,电阻R会产生热噪声，并且使晶体管前的信号衰减，噪声系数会很差，将超过3dB,适合于宽带放大，不会使晶体管前的信号衰减，噪声系数比电阻端接小，但功耗较大,共栅 (C -G)放大器，噪声系数(NF)最小为 ，NF还会随y增大而增大。高频和考虑栅噪声时，噪声系数明显变差,由于电感本身并不引入噪声，该电路结构在实现50欧姆阻抗匹配的同时，又能得到最小的噪声系数。,2020/7/7,55,噪声性能对比,2020/7/7,56,单端LNA,共栅方式连接的M2用来减少调谐输出与调谐输入之间的相互作用，并同时减少M1的Cgd的影响。,电容 C 1 的设计目的是隔断直流电压信号，以

17、防止影响M1的栅-源偏置,M3与M1形成电流镜，宽度为M1的几分之一，使得偏置电路的附加功耗减到最小。,2020/7/7,57,差分LNA,CMOS工艺的差分LNA一般采用共源一共栅结构形式。 电路优点： 有利于减少密勒效应; 提高反向隔离度: 有效的抑制通过衬底藕合产生的共模噪声; 保证输入阻抗的电阻部分足够大。 为了实现共源端的反馈电感不受衬底干扰的影响，采用恒定电流源接地的方式。,2020/7/7,58,差分LNA电路结构,在进行比较放大时保持输出部分信号 的相同性，差分结构的电路将同时增 加或减小的误差信号相互抵消，从而 确保系统所希望获得的信号不失真。,输出调谐电感Ld不仅起到对高频

18、信号的阻遏作用，而且可以有利于输出电路阻抗的共轭匹配，保证放大器功率增益在输出端口不被衰减。,Ls源极负反馈电感增加从M1栅和漏看进去的阻抗，优化噪声性能和输入阻抗匹配,电容 C B 的设计目的是隔断直流电压信号，以防止从电源VDD来的直流信号影响放大器输入端的信号,Lg采用平面螺旋电感，为输入端的谐振提供了附加的自由度，从而保证了输入阻抗的纯电阻特性,2020/7/7,59,单端与差分放大器特性对比,低噪声放大器的设计一般采用差分结构,2020/7/7,60,LNA噪声优化,噪声系数一般公式 对于宽度为WoptP的器件，在功耗约束范围内得到的噪声系数,噪声系数绝对最小值,2020/7/7,6

19、1,优化后噪声系数比较,2020/7/7,62,噪声优化方法,均衡了人们感兴趣的所有参数 通过采用电感源端负反馈技术可以达到非常好的匹配。 对于给定的工艺和规定的功耗来说，它可以提供几乎可能达到的最佳噪声系数。 在输入端的谐振条件也同时保证了较好的增益。,2020/7/7,63,LNA设计,LNA设计依据与步骤 电路设计原则 电路设计,2020/7/7,64,LNA设计依据,满足规定的技术指标： 噪声系数（或噪声温度）； 功耗；增益； 工作频带；动态范围。,2020/7/7,65,LNA设计步骤,放大器级数 晶体管选择 电路拓朴结构 电路初步设计 用CAD软件进行设计、优化、仿真模拟（ADS,

20、 Ansoft）,2020/7/7,66,电路设计原则,在优先满足噪声小的前提下，提高电路增益，即根据输入等增益圆、等噪声圆，选取合适的S ，作为输入匹配电路设计依据。 输出匹配电路设计以提高放大器增益为主，out = Z0 （ L = 2*） 满足稳定性条件 结构工艺上易实现,2020/7/7,67,电路设计-基本电路模块,2020/7/7,68,输入匹配电路,要求：Zout = Zopt out = opt,2020/7/7,69,输出匹配电路,输出匹配电路的基本任务是把微波管复数输出阻抗匹配到负载实数阻抗50。 输出匹配电路应解决的目标有以下几项： 1、提高增益 2、改善整机增益平坦度

21、3、满足放大器输出驻波比 4、发送放大器稳定性,2020/7/7,70,MOS LNA,2020/7/7,71,MOS LNA,2020/7/7,72,MOS LNA,2020/7/7,73,MOS LNA,2020/7/7,74,MOS LNA,2020/7/7,75,MOS LNA,2020/7/7,76,MOS LNA,2020/7/7,77,最小噪声系数和最佳噪声匹配,2020/7/7,78,最小噪声系数和最佳噪声匹配,2020/7/7,79,最小噪声系数和最佳噪声匹配,2020/7/7,80,CMOS最小噪声系数和最佳噪声匹配,2020/7/7,81,设计过程,首先确定器件宽度 由功耗约束所允许的电流大小来偏置这个器件 根据相应偏置条件下的T值选择源端负反馈电感的值以达到所希望的输入匹配