（無線電物理專業(yè)論文）24ghz+cmos低噪聲放大器的研究與設(shè)計(jì).pdf

洵人學(xué)壩i 學(xué)位論義 中文摘要 近幾十年來，隨著無線通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，人類已基本實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地通信 的夢(mèng)想，相應(yīng)地，人類對(duì)高性能大容量無線通信系統(tǒng)的需求也越來越大。在這種 形勢下，射頻與通信集成電路的研究已趨于白熱化。 本論文主要對(duì)射頻通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊之一低噪聲放大器展丌了一 些研究和設(shè)計(jì)工作。本文設(shè)計(jì)的是用于無線局域網(wǎng)收發(fā)機(jī)射頻前端，符合i e e e 8 0 2 1 1 b 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2 4 g h zc m o s 低噪聲放大器。噪聲系數(shù)是低噪聲放大器最 為重要的性能指標(biāo)，因此本文討論并總結(jié)了亞微米m o s 管的高頻噪聲模型。本 文對(duì)c m o s 低噪聲放大器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和主要性能指標(biāo)做了一些總結(jié)，并從 改善噪聲系數(shù)、阻抗匹配、增益和線性度的等角度進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，最終完成 s m i c0 2 5 9 m 工藝的2 4 g h z c m o s 低噪聲放大器的電路設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)。 由于平面螺旋電感對(duì)射頻集成電路的性能有很重要的影響，因此本論文用 a n s o f ih f s s 軟件進(jìn)行f e t ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 仿真，對(duì)平面螺旋電感做了 一些研究。研究的結(jié)果表明，金屬厚度對(duì)平面螺旋電感q 值的影響在很大程度 上取決于電感內(nèi)徑的大小，并總結(jié)了設(shè)計(jì)平面螺旋電感應(yīng)該遵循的原則，對(duì)于設(shè) 計(jì)高性能平面螺旋電感具有重要的指導(dǎo)意義。 本文的最后一章對(duì)所做工作進(jìn)行了總結(jié)。并對(duì)今后的工作提出了自己的看法 和建議。 關(guān)鍵詞：c m o s 低噪聲放大器片上平面螺旋電感m o s 管的高頻噪聲 噪聲系數(shù)q 值 v 為人學(xué)螂i 擘位論立 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 ni nr e c e n t d e c a d e s ，p e o p l eh a v eb a s i c l yr e a l i z e dt h ed r e a mo fc o m m u n i c a t i o na n y w h e r ea n d a n y t i m e a tt h es a m et i m e ，t h ed e m a n df o rh i g h p e r f o r m a n c ea n dl a r g e - c a p a b i l i t y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s h a sb e e no nag r e a t u p s u r g e u n d e r s u c h c i r c u m s t a n c e s ，r e s e a r e h si nt h ef i e l do fr 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 e m o r ea n d m o r eh e a t e d o n eo ft h ep r i n c i p a lm o d u l e s l o wn o s i ea m p l i f e rh a v eb e e nd i s c u s s e da n d d e s i g ni nt h ep a p e r a c c o r d i n gt oi e e e8 0 2 1l bs t a n d a r d ，r e s e a r c ha n dd e s i g no n 2 4 g h zl o wn o i s ea m p l i f i e ro fw l a nt r a n s c e i v e rr ff r o n t e n da r ed o n ei nt h i s t h e s i e f o rt o wn o s i ea m p l i f i e rw i t h i nac m o sw i r e l e s st r a n s c e i v e r - l o wn o i s e p e r f o r m a n c e i s v e r yi m p o r t a n t ，s oh i g h f r e q u e n c yn o i s em o d e l i n go fs u b m i c r o n m o s f e ti sd i s c u s s e di nt h ep a p e lf o u rc o m m o nl n aa r c h i t e c t u r e sa n dm a i n p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fc m o sl n a a r es u m m a r i z e di nt h et h e s i s t h ec i r c u i ta n d l a y o u td e s i g no f2 4 g h zc m o sl n a i ns m i c0 2 5pi l l p r o c e s sa r ei m p l e m e n t e d f r o mt h ei m p r o v e m e n to fn o i s e - f i g u r e ，i m p e d a n c em a t c h ，g a i na n dn o n l i n e a r i t y p e r f o r m a n c ea n ds oo n ， t h er e s e a r c ho no n - c h i pp l a n a rs p i r a li n d u c t o r sb yf e ms i m u l a t i o nu s i n ga n s o f l t t f s si sd o n e ，s i n c et h eo n - c h i pp l a n a rs p i r a li n d u c t o r sh a v eas i g n i f i c a n te f f e c to nt h e p e r t b m i a n c eo ft h er fc i r c u i t s a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t s ，i th a sb e e ns h o w n t h a tt h em e t a lt h i c k n e s se f f e c to nt h eq f a c t o rd e p e n d so nt h ei n n e r m o s tt u r nd i a m e t e r o ft h ep l a n a rs p i r a li n d u c t o r a tl a s t ，t h eg u i d e l i n e sf o rt h eo n c h i pp l a n a rs p i r a l i n d u c t o r sa r es u m m a r i e d ，w h i c hi ss i g n i f i c a n tf o rt h ed e s i g no fo u c h i pp l a n a rs p i r a l i n d u c t o r s i nt h ee n do ft h ep a p e r s u m m a r yo fp r e v i o u sw o r ka n ds u g g e s t i o nf o rf u t u r e v 海人學(xué)壩l 。學(xué)位論義 w o r ka r eg i v e n k e yw o r d s ：c m o sl o w - n o s i ea m p l i f i e r , p l a n a rs p i r a li n d u c t o r , m o s f e t h i g h f r e q u e n c y , n o s i ef i g u r e ，qv a l u e v i i 海人學(xué)壩i j 學(xué)位論且 原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作。 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人己發(fā)表 或撰寫過的研究成果。參與同工作的其他同志對(duì)本研究所做的任何 貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名：z 縫盔日期翌墮! ：! 本論文使用授權(quán)說明 本人完全了解上海大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué) 校有權(quán)保留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？?以公布論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：2 垂駕 導(dǎo)師簽名： ) 橢e ，l 。 第一章緒論 1 1 引言 射頻通常是指2 5 0 m h z 到3 0g h z 的無線通信頻段，但在個(gè)人移動(dòng)通信中， 應(yīng)用最多的是8 0 0 m h z 2 5 g h z 的無線頻段。無線通信系統(tǒng)因高度機(jī)動(dòng)性、靈活 性而使它的應(yīng)用日益廣泛，預(yù)計(jì)到2 0 1 0 年，無線通信用戶將超過有線通信用戶 達(dá)到1 0 億人。這種潛在的市場造成了對(duì)射頻集成電路的巨大需求。原來的混 合電路由于不能滿足低成本、低功耗和高集成度的要求，而必然要被集成度越來 越高的集成電路所取代，并最終形成單片射頻收發(fā)機(jī)芯片。 典型的射頻收發(fā)設(shè)備除了對(duì)功耗、速度、成品率等性能的要求外，還要考慮 噪聲、線性范圍、增益等指標(biāo)。在硅c m o s 、b i c m o s 、雙極1 藝、g a a sm e s f e t 、 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管( r t b t ) 、o e s i 器件等眾多工藝中，雖然硅c m o s 的高頻性能 年u 噪聲性能刁i 是最好的，但是由于它的工藝最為成熟、成本最低、功耗最小、應(yīng) 用也最為廣泛，且隨著工藝水平的不斷提高，硅c m o s 的頻率特性和噪聲特性 f 在逐漸得到了改善。重要的是，只有采用硅c m o s 工藝才能最終實(shí)現(xiàn)單片集 成。因此，c m o s 射頻集成電路是未來的發(fā)展趨勢 2 】。近幾十年來，世界各國的 研究人員在c m o s 射頻集成電路的設(shè)計(jì)和制作方面進(jìn)行了大量的研究和探索， 使c m o s 射頻集成電路的性能不斷得以改善。“。樂觀的估計(jì)，在最近幾年早， c m o s 射頻集成電路將徹底改變無線通信的面貌。 一個(gè)完整的射頻收發(fā)系統(tǒng)包括r f 前端和基帶處理部分，r f 前端又稱作收 發(fā)器，它決定著整個(gè)系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)，如誤碼率、發(fā)射功率、信道的抗干擾 能力等。而低噪聲放大器( l n a ) 是r f 前端的最前端，它直接感應(yīng)天線接收到 的微弱信號(hào)，并對(duì)其放大，然后傳遞給后級(jí)進(jìn)行處理，是整個(gè)接收通道最關(guān)鍵的 模塊之一。因?yàn)闊o線局域網(wǎng)( w i r e l e s sl a n ) 系統(tǒng)是很多無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中的一種。 在不遠(yuǎn)的將來，無線局域網(wǎng)將會(huì)和互聯(lián)網(wǎng)一樣變得越來越穩(wěn)定和值得信賴并逐漸 成為一一種主流的通信方式。因此，本文主要研究24 g h zr fi e e e s 0 2 】l bw l a n 系統(tǒng)集成芯片中低噪聲放大器( l n a ) 的設(shè)計(jì)。 1 2 研究現(xiàn)狀及存在的問題 近年來，射頻集成電路( r fi c ) 的應(yīng)用和研究得到了飛速的發(fā)展，c m o s 射頻集成電路的研究更是成為浚領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。低噪聲放大器是射頻接收機(jī)中 的一個(gè)關(guān)鍵，它位于接收機(jī)系統(tǒng)的第一級(jí)，決定著接收機(jī)系統(tǒng)的整體噪聲系數(shù)。 在c m o s 射頻接收前端，低噪聲放大器大約占前端功耗的一半左右，由于低功 耗和低噪聲是一對(duì)矛盾，在設(shè)計(jì)時(shí)需要權(quán)衡考慮。 現(xiàn)在幾個(gè)應(yīng)用比較多的無線頻段有歐洲4 3 3 m h z 的i s m 段，應(yīng)用于手機(jī) g s m 的9 0 0 m h z 和1 8 g h z ，應(yīng)用于藍(lán)牙( b l u e t o o t h ) 的2 4 g h z ，以及應(yīng)用于 w l n a 的2 4 g h z 和5 g h z ，這些頻率都可以用目前的c m o s2 1 2 藝來實(shí)現(xiàn)，目前 已有相應(yīng)的少量產(chǎn)品問世。 由于c m o s 射頻集成電路是一門比較新的研究領(lǐng)域，國外也是剛剛起步， 這對(duì)國內(nèi)的集成電路行業(yè)是一個(gè)很好的發(fā)展契機(jī)。 但是，目前仍然有許多問題需要研究和解決，尤其是射頻m o s 管的建模問 題以及高性能電感的實(shí)現(xiàn)。一方面是m o s 管、片上電感、電容、襯底的寄生參 數(shù)的提取問題，另一方面是這些參數(shù)隨偏置條件和特征尺寸的縮小而變化的問 題。對(duì)這些問題的研究和解決，將極大地降低射頻集成電路的設(shè)計(jì)難度。 電感和電容是射頻集成電路中必不可少的部分，雖然它們已經(jīng)可以在片上集 成，但是目前它們和片外的分立電容、電感相比還有很大的差距，還不能完全滿 足射頻電路的需要。c m o s 射頻集成電路面臨的主要問題就是無法得到高品質(zhì)因 數(shù)( q ) 的無源器件。片上電感q 值與電感面積成比例關(guān)系，在面積受限的情 況下大f 舊提高e 值尚有一定的困難。 在電路實(shí)現(xiàn)方面，。方面需要完善和提高各個(gè)模塊的性能，另一方面，需要 研究將整個(gè)前端整合到一個(gè)芯片上時(shí)各個(gè)模塊之間的協(xié)同考慮和襯底的串?dāng)_問 題。另外，還需要考慮功耗和可測試性的問題。 隨著特征尺寸的不斷縮小，m o s 晶體管的截止頻率得到了提高，從而可以 較為容易地實(shí)現(xiàn)較高工作頻率的射頻集成電路。然而，特征尺寸的縮小卻會(huì)帶來 其他方面的問題，例如隨著柵長的縮小，溝道的電場場強(qiáng)增強(qiáng)，漏端電流噪聲增 大等等。這些問題都必須認(rèn)真考慮。 1 3 論文的主要工作 本文主要是研究符合8 0 2 1 1 b 標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于2 4 g h z 無線局域網(wǎng)( w l n a ) 射頻收發(fā)機(jī)中的c m o s 低噪聲放大器( l o w n o i s e a m p l i f i e r , 簡稱l n a ) 的設(shè)計(jì)。 近年來，隨著無線局域網(wǎng)的不斷推廣，對(duì)無線收發(fā)機(jī)芯片的需求急劇上升。目前 推向市場的無線局域網(wǎng)的收發(fā)機(jī)芯片主要壟斷在i n t e r s i l 、y i 、m a x i m u m 等幾家 人公司手中，而且基于性能和成本的考慮，這些產(chǎn)品都分為射頻前端和基帶處理 部分，分別采用s i g e 工藝和c m o s 工藝來實(shí)現(xiàn)。采用兩種不同的工藝技術(shù)無疑 提高了產(chǎn)品成本，同時(shí)也無法實(shí)現(xiàn)單片集成的收發(fā)機(jī)，因而成本和集成度成為無 線局域網(wǎng)大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要障礙。為了降低成本和提高集成度，必須研究用 c m o s 工藝來實(shí)現(xiàn)射頻芯片，這樣不但可以降低產(chǎn)品成本，而且在解決了實(shí)現(xiàn)中 的難點(diǎn)問題后，可以將射頻前端和基帶處理部分集成在一一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)單片集 成的收發(fā)機(jī)，這必將推進(jìn)整個(gè)無線局域網(wǎng)市場的發(fā)展。另外，目前國內(nèi)對(duì)射頻前 端芯片的研究還處于初級(jí)階段，研究采用c m o s 工藝來實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)機(jī)射頻f i 端芯片町以提高我國在這一方面的研究水平，其研制成功也將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效 益。 本論文的主要工作是研究并設(shè)計(jì)用于2 4 g h z 無線局域網(wǎng)射頻收發(fā)器【= 卜| 的 c m o s 低噪聲放大器。著重對(duì)m o s 管的高頻噪聲模型，無源器件電感， c m o s 低噪聲放大器進(jìn)行分析研究。目標(biāo)是要滿足該收發(fā)器分配給該模塊的性 能指標(biāo)。 在c m o s 射頻集成電路中，m o s f e t 的工作頻率范圍是1 3 g h z ，柵感應(yīng) 噪聲咀及源( 漏) 與襯底耦合而引起的寄生效應(yīng)變得非常重要，原來忽略柵感應(yīng) 噪聲和寄生效應(yīng)的m o s f e t 的低頻模型已經(jīng)不適用了，有必要對(duì)該低頻模型進(jìn) 行修正，建立m o s f e t 的射頻模型。因此，對(duì)亞微米m o s f e t 的高頻噪聲模型 進(jìn)行建模是近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。結(jié)合本文所采用的工藝( s m i co 2 5 t m c m o s 工藝) ，本文對(duì)近年來r f i c 中m o s 管的高頻噪聲模型進(jìn)行分析總結(jié)。 提高平面螺旋電感的品質(zhì)因數(shù)( q 值) 是平面螺旋電感研究的焦點(diǎn)。本文通 過模擬分析令屬線厚度對(duì)電感q 值的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬線厚度超過1 0 1 a m 后，是 否要考慮鄰近效應(yīng)對(duì)電感總的串聯(lián)電阻的貢獻(xiàn)取決于電感內(nèi)徑的大小。隨著盒屬 線厚度的增加，0 值的變化情況與電感內(nèi)徑的大小有很大的關(guān)系。當(dāng)金屬線厚度 超過1 0 p m 時(shí)，通過調(diào)節(jié)電感的內(nèi)徑仍可以進(jìn)一步改善電感的q 值。這是本文的 研究成果之一。 本文的第三部分工作主要是完成2 4 g h zc m o s 低噪聲放大器設(shè)計(jì)。研究 發(fā)現(xiàn)：在輸入管m l 的柵、源兩端并聯(lián)一個(gè)電容c o ，可以減小放大器的噪聲系數(shù)； 在m i 的柵和地之間并聯(lián)電容c ?？梢愿纳频驮肼暦糯笃鞯妮斎肫ヅ洌和ㄟ^在共柵 管的漏源兩端并聯(lián)一個(gè)大p o l y 電阻r a ，是改善放大器增益的方法之一。本文分 別從理論的角度闡述緣由，并利用c a d e n c e 環(huán)境中的s p e c t r e r f 仿真器進(jìn)行仿真， 仿真的結(jié)果和理論分析結(jié)果相符。這是本文的另一項(xiàng)研究成果。 1 4 論文內(nèi)容安排 本論文的內(nèi)容安排如下： 第二章介紹c m o sl n a 的幾種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并對(duì)它們進(jìn)行的比較對(duì)照。闡 明最終選擇電感源極負(fù)反饋的共源共柵結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器( l n a ) 的緣由。本 文指出了c m o sl n a 的主要性能指標(biāo)，并在第二第三章對(duì)各個(gè)性能指標(biāo)的由來 和定義進(jìn)行了簡單的闡述，最后在第五章的實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，根據(jù)具體情況對(duì)各 個(gè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了符合要求的低噪聲放大器。 第三章對(duì)m o s 管的高頻噪聲模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析。作為接收通道的射頻 d d 端，低噪聲放大器的噪聲性能決定著整個(gè)通路的噪聲特性，進(jìn)而決定了接收機(jī) 的靈敏度。低噪聲放大器的噪聲性能還對(duì)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)工作范圍起著重要的影 響，可見，噪聲性能優(yōu)化是低噪聲放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。然而，要設(shè)計(jì)更低噪聲的 l n a ，主要就是要降低l n a 中各個(gè)有源器件( m o s 管) 和無源器件的噪聲，因 此，對(duì)m o s 管的高頻噪聲模型進(jìn)行研究是至關(guān)重要的。本文對(duì)近期亞微米 m o s f e t 的高頻噪聲模型的建模工作進(jìn)行了歸納總結(jié)，以便對(duì)低噪聲放大器的 噪聲性能進(jìn)行優(yōu)化。 第四章介紹了c m o s 工藝的片上平面螺旋電感。電感的設(shè)計(jì)是c m o sr f i c 工藝面f 臨的又一個(gè)難題。射頻集成電路的性能在很大程度上受電感影響，電路 的性能會(huì)隨著電感q 值的提高而得以改善。因此本文用了一章來總結(jié)對(duì)射頻集 成電路中的無源器件平面螺旋電感的研究。 第五章給出了應(yīng)用于w l n a 收發(fā)器中的2 4 g h z 的c m o s 低噪聲放大器的 電路設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果和版圖設(shè)計(jì)。 海凡學(xué)傾學(xué)位論業(yè) 超過1 0 9 i n 時(shí)，通過調(diào)節(jié)電感的內(nèi)徑仍可以進(jìn)一步改善電感的q 值。這是本文的 研究成果之。 本文的第= 部分一r 作主要是完成24 g h zc m o s 低噪聲放大器設(shè)計(jì)。研究 發(fā)現(xiàn)：在輸入管m i 的柵、源兩端并聯(lián)一個(gè)電容c o ，可以減小放大器的噪聲系數(shù)： 在m - 的柵和地之間并聯(lián)電容c ?？梢愿纳频驮肼暦糯笃鞯妮斎肫ヅ洌和ㄟ^在共柵 管的漏源兩端并聯(lián)一個(gè)大p o l y 電阻r d ，是改善放大器增益的方法之一。本文分 別從理論的角度闡述緣山，并利用c a d e n c e 環(huán)境中的s p e c t r e r f 仿真器進(jìn)行仿真， 仿真的結(jié)果和理論分析結(jié)果相符。這是本文的另項(xiàng)研究成果。 1 4 論文內(nèi)容安排 本論文的內(nèi)容安排如下： 第二章介紹c m o sl n a 的幾種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并對(duì)它們進(jìn)行的比較對(duì)照。闡 明最終選擇電感源極負(fù)反饋的茫源共柵結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器( u a ) 的緣由。本 文指出了c m o s l n a 的十要性能指標(biāo)，并在第二第三章對(duì)各個(gè)性能指標(biāo)的由來 和定義進(jìn)行j ，簡單的闡述，最后在第五章的實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，根據(jù)具體情況對(duì)各 個(gè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了符合要求的低噪聲放大器。 第三章對(duì)m o s 管的高頻噪聲模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析。作為接收通道的射頻 前端，低噪聲放人器的噪聲性能決定著整個(gè)通路的噪聲特性，進(jìn)而決定了接收機(jī) 的靈敏度。低噪聲放大器的噪聲性能還對(duì)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)上作范困起著重要的影 響，可見，噪聲性能優(yōu)化是低噪聲放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。然而，要設(shè)計(jì)更低噪聲的 l n a ，主要就是要降低l n a 中各個(gè)有源器件( m o s 管) 和無源器件的噪聲，因 此，對(duì)m o s 管的高頻噪聲模型進(jìn)行研究是至關(guān)重要的。本文對(duì)近期亞微米 m o s f e t 的高頻噪聲模型的建模f 。作進(jìn)行了歸納總結(jié)，以便對(duì)低噪聲放大器的 噪聲性能進(jìn)行優(yōu)化。 第四章介紹了c m o st 豈的片上平而螺旋電感。電感的設(shè)計(jì)是c m o sr f i c 工藝商f 晦的又一個(gè)難題。射頻集成電路的性能在很大程度上受電感影響，電路 的性能會(huì)隨著電感q 值的提高而得以改善。因此本文用了一章來總結(jié)對(duì)射頻集 成電路巾的無源器什平向螺旋電感的研究。 第吐章給出了應(yīng)用于w r 。n a 收發(fā)器r _ 的24 g h z 的c m o s 低噪聲放人器的 電路設(shè)刮、仿真結(jié)果和版圖設(shè)計(jì)。 電路發(fā)引、仿真結(jié)果和版圖設(shè)計(jì)。 海人學(xué)倆f 學(xué)位論文 第六章是本論文的總結(jié)和展望。 第二章c m o s 低噪聲放大器 c o m s 射頻集成電路憑其低功耗、低成本和容易集成的優(yōu)勢而受到廣 泛的關(guān)注，到目前為止已有不少c m o s 低噪聲放大器、混頻器、鎖相環(huán)和 收發(fā)芯片出現(xiàn)。本文著重研究設(shè)計(jì)單片集成的2 4 g h z 無線局域網(wǎng)r f 前端 芯片中的c m o s 低噪聲放大器。 2 1l n a 的設(shè)計(jì)指標(biāo) 低噪聲放大器是射頻接收機(jī)前端的關(guān)鍵模塊之一。主要有四個(gè)特點(diǎn)：( 1 ) 它 位于接收機(jī)的最前端，根據(jù)多級(jí)線性網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)計(jì)算公式，其整機(jī)噪聲 系數(shù)基本上取決于前面單元模塊的噪聲系數(shù)。這就要求它的噪聲越小越好。( 2 ) 為了抑制后面各級(jí)噪聲對(duì)系統(tǒng)噪聲的影響，并對(duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行足夠的線 性放大，還要求有一定的增益，但為了不使后面的混頻器過載，產(chǎn)生非線性失真， 它的增益又不宜過大。而且由于受傳輸路徑的影響，信號(hào)的強(qiáng)弱又是變化的，在 接收信號(hào)的同時(shí)又可能伴隨許多干擾信號(hào)混入，因此要求放大器有足夠大的線性 范圍，而且增益最好是可調(diào)節(jié)的。( 3 ) 低噪聲放大器一般通過傳輸線直接和天線 或?yàn)V波器相連，故放大器的輸入端必須和它們有很好的匹配，以達(dá)到最大功率傳 輸或最小噪聲系數(shù)。( 4 ) 應(yīng)具有一定的選頻功能，以及抑制帶外和鏡像頻率干擾 的能力，因此它一般是頻帶放大器。 由以上可歸結(jié)出，在l n a 的設(shè)計(jì)中有幾項(xiàng)最主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)：噪聲系數(shù) ( n f ) 、增益( g a i n ) 、線性度( i i p 3 ) 、輸入輸出阻抗的匹配( v s w r ) 、輸入 輸出問良好的隔離等。對(duì)于移動(dòng)通信還有一個(gè)很重要的指標(biāo)是低電源和低功耗。 原因是移動(dòng)通信中，接收機(jī)處于等待狀態(tài)時(shí)，射頻剪端電路_ _ 直是工作的，固此 低功耗是十分重要的【。 下面簡單分析影響這些指標(biāo)的因素，特別要強(qiáng)調(diào)的是，所有這些指標(biāo)都是相 互牽連的，有些甚至是矛盾的。它們不僅取決于電路的結(jié)構(gòu)，還取決于集成制造 工藝。存設(shè)計(jì)中如何采用折衷的原則，兼顧各項(xiàng)指標(biāo)，是很重要的。 ( 1 ) 噪聲系數(shù) 海人學(xué)壩f 學(xué)位論文 噪聲系數(shù)是低噪聲放大器最關(guān)鍵的指標(biāo)之一，也是設(shè)計(jì)中的主要考慮因素。 實(shí)現(xiàn)低噪聲的基本思路是：采用單管單級(jí)放大，以減小有源器件引入的噪聲；因 為電阻有熱噪聲，所以匹配網(wǎng)絡(luò)宜用電感負(fù)反饋，而不宜用電阻負(fù)反饋。整個(gè)接 收機(jī)所允許的噪聲系數(shù)一般在3 d b 以下。 ( 2 ) 增益 低噪聲放大器的增益要適中，一般增益在1 0 - 2 0 d b 之自j 。 ( 3 ) 輸入阻抗匹配 對(duì)于一個(gè)射頻通訊系統(tǒng)，通過天線接收到的是以電磁波的形式傳播的功率 信號(hào)，一般很弱，依掘最大功率傳輸理論，當(dāng)l n a 的輸入阻抗與天線的內(nèi)阻互 為共扼時(shí)，稱作輸入阻抗匹配，l n a 才能最大程度地接收該信號(hào)。該匹配是以 “?！币籲 “l(fā) 獲得最大功率傳輸和最小反射損耗為目的的共軛匹配。但是，低噪聲放大器與其 信號(hào)源之間還存在另一種匹配以獲得噪聲系數(shù)最小為目的的噪聲匹配。一般 來說，實(shí)現(xiàn)最大傳輸功率所需的信號(hào)源阻抗與最小噪聲系數(shù)所要求的信號(hào)源阻抗 是不一致的，因此我們必須在l n a 功率傳輸和噪聲性能之間取得一個(gè)最優(yōu)的折 衷。在電路設(shè)計(jì)中，一般是在實(shí)現(xiàn)最大傳輸功率5 0 q 匹配的情況下，使噪聲系 數(shù)盡可能小。s 參數(shù)中的s 1 1 、s 2 2 參數(shù)就反映了輸入輸出阻抗的匹配特性。 ( 4 ) 線性度 線性度主要出三階互調(diào)截止點(diǎn)i i p 3 和1d b 壓縮點(diǎn)來衡量。在討論放大器 一一， 的線性范圍時(shí)需要注意三個(gè)問題：一是線性范圍與器件有關(guān)，由于場效應(yīng)管是平 方率特性，因此它的線性要比雙極型好；二是和電路結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如：加負(fù)反饋、 單管放大改差分放大等。采用差動(dòng)輸入方式，輸入信號(hào)的線性范圍比單管大，因 為差分輸入，輸出電流是兩管輸出電流之差，可以抵消放大器非線性失真的偶次 諧波，進(jìn)一步擴(kuò)火了線性范圍。三是輸入端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)也會(huì)影響放大器的線 性范罔。 ( 5 ) 低功耗 移動(dòng)通信還有個(gè)很重要的指標(biāo)是低電壓和低功耗。降低功耗的根本方法是 采用低電源電壓、低偏置電流。但伴隨的結(jié)果是晶體管的跨導(dǎo)減小，從兩又引起 晶體管及放大器的一系列其他指標(biāo)的變化。 ( 6 ) 隔離度和穩(wěn)定性 海人學(xué)f 研j 學(xué)位論殳 增大低噪聲放大器的反向隔離可以減小本振信號(hào)從混頻器向天線的泄漏。在 超外差式接收機(jī)中，由于l n a 和混頻器問一般接有抑制鏡像干擾的濾波器，且 第一中頻的數(shù)值較高，本振信號(hào)頻率位于濾波器通帶以外，因此本振信號(hào)向天線 f 皇泄漏較小。但我們采用的零中頻方案中，本振泄漏則完全取決于l n a 的隔離 性能。同時(shí)，l n a 的隔離度好，減小了輸出負(fù)載變化對(duì)輸入阻抗的影響，從而 簡化了輸入輸出端的匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試。 放大器的穩(wěn)定性是隨著反向傳輸?shù)臏p小，即隔離性能的增加而改善韻。 2 2c m o s l n a 的基本結(jié)構(gòu) 由于低噪聲放大器的前一級(jí)通常是天線或者帶通濾波器，為了達(dá)到最大傳輸 功率，放大器的輸入級(jí)應(yīng)表現(xiàn)為5 0q 的負(fù)載特性。而m o s f e t 的輸入阻抗是容 性的，為了實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器和源阻抗匹配，使l n a 對(duì)外部電路表現(xiàn)為一個(gè)已 知的電阻性阻抗，一般采用圖2 一l 所示的四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：電阻端接，l 佗。端接； 旁路電阻反饋和電感源極反饋。 ! ( = 卜lr j _ 上 b z i n 1 睜! _ 一 ( a ) l u 阻端接( b ) 1 g 。端接( c ) 旁路電阻反饋 ( d ) 電感源極反饋 劇2 1c m o s 低噪聲放大器的四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 對(duì)于電阻端接結(jié)構(gòu)，如圖2 1 ( a ) 所示，電咀。曼叁重越墊噪直，并 且使晶體管前的信號(hào)衰減，這兩種效應(yīng)合在一起會(huì)產(chǎn)生個(gè)不可接受的噪 。一一?！币?聲系數(shù)：f 2 + ( 4 y c r ) t l g 。，r ) ，在較高頻率以及考慮柵噪聲時(shí)，噪聲系數(shù) 會(huì)更差，將超過3 d b 。 一一一 圖2 1 ( c ) 為旁路電阻反饋結(jié)構(gòu)，此方案適合于寬帶放大，由于它在 放大之i ，不會(huì)使晶體管前的信號(hào)衰減，所以它的噪聲系數(shù)會(huì)比電阻端接 結(jié)構(gòu)的小一些，但是與具有相同噪聲性能的其他結(jié)構(gòu)相比，它的功耗較大， _ 己 習(xí) 且需要較多的集成電阻，不太適合c m o s 工藝。 ，”一、一一 常用的窄帶低噪聲放大器用的最為廣泛的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是：圖2 一l ( b ) 所示的共柵( c g ) 放大器，即l g m 端接結(jié)構(gòu)和如圖2 一l ( d ) 所示的電感 反饋的共源( c s ) 放大器。 共柵( c g ) 放大器，從源端看進(jìn)去等效于一個(gè)電阻i 僖。，其等效輸入 噪聲為：4 k t 廠g 一當(dāng)通過調(diào)整g m 到阻抗匹配時(shí)，共柵放大器的噪聲系 數(shù)：f = 1 + 暇+ 咒( g 【+ g 、) 2 】g 、1 + r ( q + g ) g 、1 + r g = 1 + y c r 。 因此，噪聲系數(shù)( n f ) 最小為1 + ，口，如，取2 3 ，口取1 ，則理論上的最 小噪聲系數(shù)為2 2 d b ，而實(shí)際的n f 還會(huì)隨，增大而增大。在高頻和考慮柵 。一一 一 噪聲時(shí)，噪聲丕數(shù)攝舅顯變差。 基漚煎太器是通過調(diào)整一l g , l 。與c g 。的值，使得電路達(dá)到諧振狀態(tài)來獲 得5 0 q 的輸入阻抗。此時(shí)有： 弘s ( 三s + t ) + 瓦1 + i g m 三一 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中z 。為輸入阻抗，r 。為諧振時(shí)的輸入阻抗，為諧振時(shí)的角頻率， q 為諧振電路的品質(zhì)因數(shù)。l 由于電感杰身并不引叁噪皂，毗這_ 電路結(jié) 一一一” 構(gòu)在實(shí)現(xiàn)5 0 q 阻抗匹配的同時(shí)又鎂得烈最_ ! 的噪直系數(shù)。由此_ ，! 趨感源 ， 一。 極負(fù)反饋的巷! 壁鏊查曼墨堡攝墾墊黃蝗的一種電路結(jié)構(gòu)。本文采用的就 是這種結(jié)棲。表1 給出了四種l n a 的噪聲性能對(duì)比表。 在圖2 一l ( d ) 共源l n a 中，若偏置電流降低，則c g 。相應(yīng)降低，由 式( 24 ) 可知，q 值會(huì)增大，此時(shí)電路對(duì)寄生電容很敏感釓特別是m 1 的柵極對(duì)地電容會(huì)使輸入阻抗偏離需要的匹配阻抗，造成信號(hào)的反射增大， 厶 心 鬲 魚 一j 螈專毒 海人學(xué)壩1 j 學(xué)位論文 所以共源放大器很難工作于極低的功耗狀念下。但共柵放大器可得到很低 的功耗。 表1 ：忽略柵極電流噪聲后四種匹配結(jié)構(gòu)的噪聲性能對(duì)比 輸入結(jié)構(gòu) g 。 g o v t n f 1 g 。端接g m g ”1 + 竺 a 電阻端接 11 2 + 業(yè)上 月月 口g 。r 旁路電阻反饋 l1 2 + 坐上 r只 口g 。r 電感源極去耦 001 2 3c m o sl n a 的增益 l n a 屬于放大器，增益自然是其指標(biāo)之一。l n a 必須能向其下一級(jí)電路( 混 頻器) 輸出適當(dāng)?shù)男盘?hào)，信號(hào)過小，混頻器無法檢測；信號(hào)過大又會(huì)造成混頻器 的過載，使線性度惡化，加重混頻器線性指標(biāo)的要求。而高增益意味著高偏置電 流，必然會(huì)導(dǎo)致低噪聲放大器的功耗增大。因此，低噪聲放大器的增益必須設(shè)計(jì) 在一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹?，一般? 0 一2 0 d b 左右。 放大器的增益除了與晶體管的跨導(dǎo)有關(guān)之外還與其負(fù)載有關(guān)，跨導(dǎo)直接由工 作點(diǎn)的電流決定。低噪聲放大器是頻帶放大器，它的選頻功能由其負(fù)載決定。 l n a 的負(fù)載一般有兩種形式：一是采用調(diào)諧的l c 回路做負(fù)載，并將下級(jí)混頻器 的輸入電容并入回路電容，形成頻帶放大，既用于選頻又可以提高增益；二是 l n a 后面接集中選頻濾波器，為了便于應(yīng)用，濾波器的輸入輸出阻抗都做成5 0 q ，選頻功能由濾波器完成。一般來說，負(fù)載阻抗都比較小，增益不易做高， l n a 需采用兩級(jí)放大。 l n a 從天線接收到的信號(hào)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，而對(duì)混頻器輸出的信號(hào)又不能過載， 這就要求l n a 的增益最好是可以控制的。增益可控既能抑制過大信號(hào)，又能最 大程度地放大弱信號(hào)。在通信電路中，控制增益的方法一般有以下幾種：改變放 大器的工作點(diǎn)，出于l n a 的增益與放大管的偏置有關(guān)，故可通過改變放大管的 偏置條件來實(shí)現(xiàn)增益可控；改變放大器的負(fù)反饋：改變放大器諧振回路的q 值 等，這些方法都是通過載波電平檢測電路產(chǎn)生自動(dòng)增益控制電壓來實(shí)現(xiàn)的。 電感源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)輸入匹配和低噪聲系數(shù)，一般情況f 不能提供低噪聲放大器所需的足夠的增益。另一方面，由于m o s 管的柵漏寄生 電容c 。d 的存在，會(huì)在m o s 管的輸入和輸出端之間引起反饋，從而惡化l n a 的噪聲性能，同時(shí)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此這種結(jié)構(gòu)低噪聲放大器一般采用兩級(jí)級(jí)聯(lián) 的結(jié)構(gòu)，即在第一級(jí)源極負(fù)反饋的基礎(chǔ)上，再加上第二級(jí)以增大增益和抑制第一 繳的柵漏寄生電容c 小對(duì)于第二級(jí)m o s 管的連接方法可以采用兩種結(jié)構(gòu)：共 源共柵結(jié)構(gòu)和兩級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。圖2 2 給出了這兩種結(jié)構(gòu)的電路原理圖。圖2 2 ( b ) 為兩級(jí)級(jí)連結(jié)構(gòu)，雖然兩級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠提供比共源共柵結(jié)構(gòu)更大的增益， 但不能很好的抑制柵、漏間寄生電容。實(shí)際上，出于第二級(jí)也是共源結(jié)構(gòu)，所以 不僅第一級(jí)的柵、漏問寄生電容不能抑制，而且第二級(jí)的柵漏間寄生電容同樣會(huì) 使輸入和輸出端形成反饋。因此該兩級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)并不是理想的結(jié)構(gòu)，而共源共柵 結(jié)構(gòu)則是常用的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于在提供了足夠大增益的同時(shí)，還可以抑制第一 級(jí)的柵漏閩寄生電容，使得輸入輸出端實(shí)現(xiàn)很好的隔離。這樣不僅增強(qiáng)了噪聲性 能，還提高了穩(wěn)定性。 v b i a ! i 廣j m 2 r n n 。u ( m 1 ，l 。 1 f ( a ) 共源共柵 ( b ) 兩級(jí)級(jí)聯(lián) 幽2 2 低噪聲放人器的結(jié)構(gòu)比較 2 4c m o sl n a 的線性度 除了噪聲系數(shù)，增益以及輸入匹配以外，線性度也是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。對(duì)于 有源器件構(gòu)成的線性放大器來說，由于有源器件的非線性特性，當(dāng)輸入信號(hào)的幅 度較小時(shí)，系統(tǒng)能將該輸入信號(hào)線性放大；而當(dāng)輸入信號(hào)的幅度增大，放大器進(jìn) 淘人學(xué)f 明i 學(xué)位論殳 入了非線性區(qū)h , 1 ，輸出會(huì)產(chǎn)生失真。系統(tǒng)的非線性可以分為兩種類型：即非線性 失真效應(yīng)和非線性干擾效應(yīng)。非線性失真效應(yīng)是輸入信號(hào)產(chǎn)生的失真，非線性干 擾效應(yīng)是輸入信號(hào)和干擾信號(hào)所產(chǎn)生的失真。通常，非線性失真效應(yīng)以增益壓縮 表示，非線性干擾效應(yīng)以三階互調(diào)表示。因?yàn)檎麄€(gè)接收機(jī)的非線性通常由后面幾 級(jí)電路如混頻器等所制約，所以對(duì)低噪聲放大器的線性度的關(guān)注遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)噪聲 系數(shù)的關(guān)注。但是有些應(yīng)用場合要求低噪聲放大器有很高的線性度，因此對(duì)其線 性度的研究仍然是十分有意義的。本節(jié)主要給出描述非線性的參數(shù)( 1 d b 壓縮點(diǎn)、 三階截止點(diǎn)i p 3 ) 的定義，并給出級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的三階交調(diào)點(diǎn)的表達(dá)式。第五節(jié)再詳 細(xì)討論本文所采用的共源共柵結(jié)構(gòu)的非線性。 2 4 1l d b 壓縮點(diǎn)和三階截點(diǎn)i p 3 的定義 通常m o s 管可以看作無記憶時(shí)變系統(tǒng)，由m o s 管構(gòu)成的放大器可以認(rèn)為 是無記憶系統(tǒng)，輸出可以用冪級(jí)數(shù)表示為： y ( f ) = o + l 工( f ) + a 2 x 2 ( t ) + a 3 x 3 ( f ) + ( 2 5 ) 其中，x ( t ) 是系統(tǒng)輸入，a 。是第n 節(jié)非線性常數(shù)，可以表示為： 。：土! ：堂1 2 ( 2 6 ) “”一n ! 瓠吖n 假定輸入信號(hào)是振幅為a ，頻率為0 3 的正弦函數(shù)，代入( 2 5 ) 式，可得到輸出 信號(hào)為： 加，= 卜 + ( ”言a 3 , q 2 ) 翩s c + 詈肌呱z 刪a 3 a 2 c o s c ，刪+ “- ( 2 7 ) 根據(jù)式( 2 7 ) ，輸出的基頻分量為a 3 的函數(shù)，由a 3 的正負(fù)決定失真是增益壓縮 還是增益擴(kuò)張。通常，增益壓縮用l d b 壓縮點(diǎn)度量。當(dāng)晶體管放大器信號(hào)增大 出現(xiàn)飽和后，使增益比線性放大器增益下降l d b 所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)幅度值v i n 稱 為l d b 壓縮點(diǎn)( 1 d bg a i nc o m p r e s s i o np o i n t ) 。若輸入輸出均用d b 表示，l d b 壓 縮點(diǎn)如圖2 3 所示。 海人學(xué)壩 j 學(xué)位論文 v i n 幽2 - - 3l d b 壓縮點(diǎn) 若輸入信號(hào)是振幅為a ，頻率分別為0 3 i 和0 3 2 的兩個(gè)f 弦量，代入( 2 5 ) ， 可得輸出信號(hào)為( 忽略3 階以上的分量) ： m ) = a o + a 2 a 2 ) + a i + i 9 a 3 a 2 鉚c 。s ( 0 ) i t ) s ( 】 + 詈竹c 。s ( 2 c o ，f ) + c o s ( 2 咄) 】+ 魯以c o s ( 3 0 ) i 卅c 。s ( 3 c 0 2 t ) 】( 2 8 ) + a 2 a 2 c o s ( q + c o ，) t + c o s ( o ) t 一哆) 印 + 云a 3 a3 k o s ( 嗎2 丘乇p + c o s ( 2 c 竹i c 如) ，】+ 由式( 2 8 ) 可見，當(dāng)兩個(gè)頻率十分接近的信號(hào)輸入放大器時(shí)，由于器件的非線 性性產(chǎn)生的許多組合頻率分量中，有可能落在放大器頻帶內(nèi)的頻率分量除了基波 外，還可能有組合頻率q 2 鴨和2 0 ) 1 - + 0 ) 2 。我們稱此組合頻率q 2 哆和2 0 ) 1 0 ) 2 為三階互調(diào)量，如圖2 - - 4 所示。出于三階互調(diào)量和基頻相近，會(huì)嚴(yán)重干擾輸出 信號(hào)，所以通常以三階互調(diào)失真表示非線性干擾失真，以“三階截止點(diǎn)i p 3 ” ( t h i r d o r d e ri n t e r c e p tp o i n t ) 來描述三階互調(diào)失真的程度。如果不考慮基頻中的 9 強(qiáng)o3 4 項(xiàng)，隨著信號(hào)幅度a 的增火，三階互調(diào)功率達(dá)到和基波功率相等時(shí)，所 對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)幅度或功率稱為輸入三階互調(diào)截止點(diǎn)i i p 3 ，所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)幅 度或功率稱為輸出三階互調(diào)截止點(diǎn)0 1 p 3 ( 一般在放大器中常用o i p 3 做參考) 。 如圖2 5 所示。 劁2 41 r 線性系統(tǒng)的三階交調(diào) l a , a i = 陟卜= 劃 以信號(hào)幅度表示的i i p 3 點(diǎn)為 胛3 ：! | ! l l 3j 盤，l l 比時(shí)的幅摩a i l p ；可表示成： 闞 輸出 幽2 5 二階互凋截至點(diǎn) 三階互調(diào)失真又可以d b m 形式表示如下 肝。= 0 1 0 9 虧2 毒1 陪i 2 4 2 多級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的非線 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 對(duì)于多級(jí)級(jí)聯(lián)組成的射頻系統(tǒng)，系統(tǒng)總的非線性也可以用單級(jí)非線性表示出 來。其實(shí)，系統(tǒng)總的非線性與每一級(jí)的非線性關(guān)系如何，如何將每一級(jí)的非線性 折算到系統(tǒng)的輸入端，這是很重要的問題。 現(xiàn)以兩級(jí)系統(tǒng)為例來說明，如圖2 6 所示。 壓y 斗習(xí)一 幽2 6 級(jí)聯(lián)的非線性示意剴 坶人學(xué)傾l 學(xué)位論文 l b 式( 2 5 ) ，忽略三階以上的非線性，可以將m 1 和m 2 的非線性性表示為： _ y l o ) = a l x ( o + 2 x 2 0 ) + a 3 x 3 ( f ) ( 2 1 3 ) y 2 0 ) = 屈x o ) + 履x 2 0 ) + 屈x 3 0 ) ( 2 1 4 ) 其中，p 分別為泰勒級(jí)數(shù)的系數(shù)。將式( 2 1 4 ) 代入( 2 1 3 ) 得： y ! ( f ) = a , p l x ( t ) + ( a 2 屆+ 砰島) x 2 ( f ) + ( 嗎屆+ 2 a l a 2 f 1 2 + 才屈虹3 ( r ) ( 2 1 5 ) 由式( 2 1 0 ) 可知，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的三階截i e 點(diǎn)為： 刪2 2113麗(132aaj+12 腹+ d ? 島j ( 2 1 6 ) 式( 2 1 6 ) 中，分子和分母可以為f 值或負(fù)值，考慮最壞情況，設(shè)均為正值，有： 去：華艘當(dāng)型出煎l ：! 阻+ 2 a 2 f 1 2 + 盟i 仲3 2 3 iq 屆i3 h 屆 屆i ( 2 1 7 ) ：l + 3 a 2 f 1 2 。j 生 l l p 3 2 2 z , l i p 3 ； 其中，i i p 3 i 、l i p 3 2 分別為第一級(jí)和第二級(jí)的輸入三階互調(diào)截點(diǎn)。式( 2 1 7 ) 中， 如果增益a 遠(yuǎn)大于1 ，則第二級(jí)的線性度所占的比例遠(yuǎn)大于第一級(jí)。因此，級(jí)聯(lián) 系統(tǒng)中，后級(jí)電路的線性度要求更嚴(yán)格，與噪聲系數(shù)f 好相反。這也說明了對(duì)低 噪盧放大器對(duì)線性度的要求并不是很高。 對(duì)于多級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，可以通過類推得到其非線性的一般表達(dá)式。以信號(hào)幅度 表示的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的總的ii p 3 點(diǎn)可表示為： 去：去+ 黑+ 婆+ ( 21 8 ) 胛32 腫3 i 。卿3 ：1 1 p 3 ： “ 以信號(hào)功率表示的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的總的l i p 3 線性度可表示為”1 ： l i p 3 ( 加) = - l o g 【去+ 麗砑1 + 麗廁1 叫 ( 21 9 ) 其中1 1 p 3 是第i 級(jí)電路的i i p 3 ，a 是第i 級(jí)電路的電壓增益。 由( 2 1 9 ) 式可以看出，如果低噪聲放大器以共源共柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，則可以將 該結(jié)構(gòu)分為兩級(jí)，對(duì)第一級(jí)須進(jìn)行噪聲優(yōu)化，而第二級(jí)需進(jìn)行線性度優(yōu)化以便達(dá) 到最優(yōu)的性能。另外，山于低噪聲放大器所接收到的信號(hào)一般都較弱，一l d b 壓 縮點(diǎn)往往不是很嚴(yán)重的線性度問題，而在有用信號(hào)頻率附近不可避免地存在下擾 信號(hào)，岡此，三階互調(diào)在電路設(shè)計(jì)時(shí)f h j 必須要考慮。因此在本文后續(xù)章節(jié)中主要 討論l i p 3 。有了系統(tǒng)的i i p 3 ，通過換算，也能得到表示線性度的其他參數(shù)。 2 5 電感源極負(fù)反饋的共源共柵l n a 根掘前面章節(jié)對(duì)r fl n a 的基本結(jié)構(gòu)的分析比較，以及2 4 g h z 無線局 域刪r f 阿端芯片的性能要求，本文應(yīng)選用的結(jié)構(gòu)為電感源極負(fù)反饋的共源 共柵放大器。這種結(jié)構(gòu)的最大好處就是不必引入一個(gè)真f 的電阻，從而既 實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，又滿足了l n a 的低噪聲的要求。這種結(jié)構(gòu)在輸入m o s 管的柵極和源極引入了兩個(gè)電感，通過選擇適當(dāng)?shù)臇艠O電感值，使得輸入 回路在工作頻率附近產(chǎn)生諧振，從而抵消掉輸入阻抗的虛部，再通過選擇 適當(dāng)?shù)钠脳l件和源極電感值，使得輸入阻抗得到一個(gè)5 0 0 的實(shí)部，這個(gè) 實(shí)部并不是真f 的電阻，因而它不會(huì)引入噪聲。 但是場效應(yīng)管極問電容c 列的存在，使工作于射頻頻段的共源放大器的 性能受到了很大的影向。因此在射頻波段時(shí)，由c 鰣引起的導(dǎo)納不能被忽略， 即柵漏問不能被視為丌路。該導(dǎo)納值隨著頻率的升高或c 。d 的增大而增加， 這便使得輸入與輸出端之間的相互影響增大。這一切最終會(huì)引起放大器增 益減小，噪聲系數(shù)變大