高增益低噪聲放大器(LNA)的設(shè)計(jì)

1、 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文高增益低噪聲放大器（LNA）的設(shè)計(jì)院 系 專業(yè)班級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 2017年1月13日華 中 科 技 大 學(xué) IC課程設(shè) 計(jì)（論 文）學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 2017 年 1 月 13 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱

2、。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于 1、保密囗，在 年解密后適用本授權(quán)書2、不保密囗 。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 2017 年 1 月 13 日導(dǎo)師簽名： 2017 年 1 月 13 日 摘 要低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）作為整個(gè)射頻接收系統(tǒng)第一級(jí)，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。它的主要功能就是將從天線接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)將其輸出給后級(jí)的混頻器，在這個(gè)過程中LNA引入信號(hào)中的噪聲非常低，對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步的降噪處理，如果信號(hào)在

3、通過LNA時(shí)引入的噪聲較大或者沒有將信號(hào)放大，那么其后的射頻模塊將無(wú)法對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行處理。所以應(yīng)用中的低噪聲放大器必須具有最佳的噪聲系數(shù)（NF），具有良好的線性度且對(duì)信號(hào)有一定的放大功能。基于以上的研究背景，本文設(shè)計(jì)了一款高增益寬帶低噪聲放大器，詳細(xì)的介紹了它的設(shè)計(jì)過程。文章首先對(duì)寬帶低噪聲放大器進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，包括它的研究背景及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，接著介紹了在設(shè)計(jì)低噪聲放大器中我們要注意的幾個(gè)主要的參數(shù)，包括噪聲、功率增益、輸入匹配、線性度和S參數(shù)。最后詳細(xì)的介紹了我們的電路設(shè)計(jì)過程，包括一級(jí)和二級(jí)電路的選擇以及其中一些工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)，并給出了仿真結(jié)果，供大家分析和討論。 電路實(shí)現(xiàn)采用了TSMC

4、 0.18m CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一個(gè)200M2GHz的高增益寬帶低噪聲放大器（LNA），根據(jù)題目要求，最終可以實(shí)現(xiàn)在工作電壓為1.8V，工作電流小于16mA的條件下，噪聲系數(shù)小于等于3.5Db,功率增益為15dB到20dB，IIP3大于-15dBm,單端輸入阻抗達(dá)到50，基本上滿足了題目的要求。關(guān)鍵詞：寬帶 低噪聲放大器 噪聲系數(shù) 功率增益AbstractLow-noise amplifier (LNA), as the first stage of the RF receiving system, directly affects the performance of the whole

5、system. Its main function is to receive from the antenna to the weak signal amplification, while its output to the mixer after the class. In this process, the noise in the LNA-introduced signal is very low and the signal is subjected to a preliminary noise reduction process. If the noise introduced

6、by the LNA is large or the signal is not amplified, the subsequent RF module will not be able to detect the useful signal . Therefore, the application of low noise amplifier must have the best noise figure (NF), with good linearity and the signal has a certain amplification. Based on the above resea

7、rch background, this paper designs a high-gain broadband low-noise amplifier, and introduces its design process in detail. In this paper, we briefly introduce the broadband low noise amplifier, including its background and development at home and abroad. Then we introduce several main parameters in

8、the design of low noise amplifier, including noise, power gain, input matching , Linearity and S-parameters. Finally, the circuit design process is introduced in detail, including the choice of primary and secondary circuits and the design of some of the process parameters, and gives the simulation

9、results for analysis and discussion.A 200MHz 2GHz high gain wideband low noise amplifier (LNA) is designed by TSMC 0.18 CMOS technology. According to the requirements, the noise figure can be achieved under the condition of 1.8V and 16mA working current. Less than or equal to 3.5Db, power gain of 15

10、dB to 20dB, IIP3 greater than-15dBm, single-ended input impedance of 50, basically meet the requirements of the subject.Keywords: wide band Low noise amplifier NF gain目錄摘 要3關(guān)鍵詞：3Abstract4Keywords: 4第一章 緒論61.1 課題背景及意義61.1.1 低噪聲放大器的重要性61.1.2 寬帶高增益低噪聲放大器的意義61.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)81.3 論文主要工作9第二章 LNA的主要性能指標(biāo)112

11、.1 增益112.2噪聲122.3 動(dòng)態(tài)范圍和線性度152.4輸入阻抗匹配17第三章 LNA電路設(shè)計(jì)183.1輸入級(jí)的設(shè)計(jì)193.1.1輸入阻抗匹配分析193.1.2噪聲分析213.2輸出級(jí)的設(shè)計(jì)24第四章 結(jié)論26致謝31參考文獻(xiàn)32附錄33第一章 緒論1.1 課題背景及意義1.1.1 低噪聲放大器的重要性低噪聲放大器是射頻接受前端的主要組成部分，它位于接受前段的第一級(jí)，直接與天線信號(hào)相連。由于其位于接受前段第一級(jí)，所以低噪聲放大器在提供一定增益，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)，需要盡可能避免引入噪聲，還需要具有很好的線性度?，F(xiàn)代無(wú)線接收機(jī)要求具有非常靈敏的電路，接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度很大程度上都取

12、決于低噪聲放大器的噪聲性能和線性度。如低噪聲放大器噪聲系數(shù)增大0.5dB，就可能對(duì)整個(gè)接收機(jī)的鏈路產(chǎn)生很大的影響。下圖是射頻接收機(jī)的簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)示意圖，天線接收到的信號(hào)通過濾波器后LNA 放大，再被混頻器轉(zhuǎn)換到基帶，解調(diào)完成后，信號(hào)輸入到模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后數(shù)字信號(hào)輸入到數(shù)字信號(hào)處理器中。從圖中可見，信號(hào)的第一級(jí)放大由 LNA完成，因此，LNA的特性決定整個(gè)接收機(jī)的性能，它對(duì)提高信息傳輸質(zhì)量、改善接收機(jī)的噪聲、增大傳輸距離和改善接收機(jī)的靈敏度都有著重要的作用。圖1-1：射頻接收機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖1.1.2 寬帶高增益低噪聲放大器的意義隨著光纖通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、電

13、子對(duì)抗、微波測(cè)量?jī)x器、各種無(wú)線局域網(wǎng)等領(lǐng)域向著低成本、小型化、寬頻帶、低噪聲、更高的工作頻段等方向發(fā)展，對(duì)各自的射頻收發(fā)模塊提出了各種新的要求。其中高頻、寬帶寬通訊是一個(gè)重要的發(fā)展方向。首先，電子偵察是未來(lái)信息戰(zhàn)的序幕和先導(dǎo)，并貫穿于信息戰(zhàn)的全過程。隨著電子對(duì)抗技術(shù)的不斷發(fā)展，用于現(xiàn)代電子戰(zhàn)中的電子設(shè)備如跳頻通信、寬帶干擾機(jī)的頻帶越來(lái)越寬，這就迫切要求研制出寬頻帶電子偵察接收機(jī)，以滿足未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中電子對(duì)抗之需要。其次，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和全球移動(dòng)通信的發(fā)展，包括筆記本電腦、PDA、計(jì)算機(jī)外設(shè)、移動(dòng)電話和家用電子產(chǎn)品等便攜的數(shù)字處理設(shè)備已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ詈娃k公的必需品。以前這些設(shè)備大多依賴電纜連接，

14、使用不便。實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間可移動(dòng)、自動(dòng)互聯(lián)的無(wú)線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)技術(shù)WPAN呼之欲出。為此IEEE802.15.3標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，并已將3.15GHz和610.6GHz頻段作為WPAN的工作頻段，特別是3.15GHz是現(xiàn)階段發(fā)展的熱點(diǎn)。再次，用于衛(wèi)星通信、電視轉(zhuǎn)播、數(shù)據(jù)與圖像傳輸領(lǐng)域的現(xiàn)有射頻接收機(jī)的性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶高數(shù)據(jù)量、寬頻帶的需求，技術(shù)升級(jí)勢(shì)在必行。另外，隨著數(shù)碼時(shí)代的逐步推進(jìn)，一機(jī)多用將為人們帶來(lái)極大的便利。比如，要求移動(dòng)通信設(shè)備不僅能接收不同系統(tǒng)不同頻段的信號(hào)，而且還能接入到藍(lán)牙、WLAN或WPAN系統(tǒng)。用傳統(tǒng)的多個(gè)窄帶射頻收發(fā)機(jī)并聯(lián)的方式固然可以實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)用，但也使成本線性增長(zhǎng)。而寬帶

15、射頻單元卻可以在不增加芯片面積和功耗的前提下，實(shí)現(xiàn)較寬頻段內(nèi)的信號(hào)全接收，具有極高的性價(jià)比。可見，寬帶通訊確實(shí)是當(dāng)今無(wú)線通訊技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。而低噪聲放大器(LNA)作為射頻接收機(jī)的第一級(jí)，其性能的好壞直接影響了整個(gè)接收系統(tǒng)的性能。所以，對(duì)寬帶LNA的研究得到了越來(lái)越廣泛的重視。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)關(guān)于高增益寬頻低噪聲放大器（LNA），國(guó)內(nèi)外做了大量研究。隨著CMOS工藝水平的不斷提高，設(shè)計(jì)方法的不斷進(jìn)步，CMOS射頻低噪聲放大器的性能越來(lái)越高。當(dāng)然，現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)LNA的要求也越來(lái)越高，這必然也推動(dòng)著人們不斷去研究探索出新的性能更完善的LNA 。國(guó)外在CMOS射頻集成電

16、路方面己經(jīng)取得了很大的突破。很多知名的公司、大學(xué)和研究所已經(jīng)用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了低噪聲放大器、壓控振蕩器、混頻器甚至是整個(gè)收發(fā)器。進(jìn)行RFIC前端單片LNA研制的國(guó)外公司主要有: Sirenza、M/A COM、 SiGe 、 Minicircuit和 Aglient等。國(guó)外一些公司如Maxim已經(jīng)推出了應(yīng)用十802.11a/b/g WLAN方面的集成LNA，頻率達(dá)到56GHz，其優(yōu)點(diǎn)是其體積小，便十集成。Chan R.等人采用IBM 7HP硅CMOS工藝制作的寬帶LNA，帶寬達(dá)到了0.522GHz，其最大噪聲系數(shù)為5.5dB,增益平坦度為±0.7dB，功率增益為15dB。國(guó)外以美國(guó)

17、Sirenza微波器件公司為例，其LNA產(chǎn)品包含10余個(gè)產(chǎn)品系列，各個(gè)產(chǎn)品系列采用不同的半導(dǎo)體工藝制作(Site, InGaP, GaAs以及PHEMT等工藝)和不同的晶體管形式(BJT,HBT或FET)，但產(chǎn)品水平大致相當(dāng)。國(guó)內(nèi)的射頻電路研究工作開展的比較晚，水平也相對(duì)較低，而且大多采用的是GaAs工藝，采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)射頻集成的研究工作只是在近些年才在一些高校和研究所中開展起來(lái)，進(jìn)行先進(jìn)CMOS工藝單片LNA設(shè)計(jì)研究的國(guó)內(nèi)研究單位主要有中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第24所、55所、13所、航天771所、中科院微電子研究所以及清華微電子研究所等。13所研制出的JDF025型低噪聲放大器具有1.5

18、18GHz的帶寬，噪聲系數(shù)6dB,增益大于30dB。近年來(lái)，24所采用臺(tái)面硅鍺HBT工藝，已研制出帶寬從直流DC到SOOM4GHz不等，增益為2035dB內(nèi)的大動(dòng)態(tài)范圍的寬帶低噪聲放大器產(chǎn)品，產(chǎn)品的性能已經(jīng)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。到目前為止，射頻前端CMO S射頻電路設(shè)計(jì)技術(shù)尚處于研究發(fā)展階段，還沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。一些基礎(chǔ)理論的研究還不成熟，設(shè)計(jì)模型也不如其它工藝精確完整。然而隨著研究的不斷深入，CMOS RFIC的應(yīng)用還是得到了肯定，而且CMOS射頻電路的應(yīng)用前景十分廣泛，典型的應(yīng)用包括移動(dòng)通訊、無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙系統(tǒng)、衛(wèi)星通訊、定位、雷達(dá)系統(tǒng)以及航天測(cè)控等。一些新式的應(yīng)用，如目前流行的智能家

19、居、低功耗醫(yī)療產(chǎn)品和未來(lái)希望實(shí)現(xiàn)的可穿戴計(jì)算等，也正在研究中。這些應(yīng)用都需要各自不同的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)，為此還出現(xiàn)了各類新的通訊防議，一些非標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議的射頻IC也大行其道。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，其所應(yīng)用的范圍不過是其中的一小部分。因此，可以預(yù)計(jì)CMOS射頻技術(shù)有很好的市場(chǎng)前景。從以上寬帶CMOS LNA的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)它的深入研究還將持續(xù)下去，其發(fā)展趨勢(shì)將主要集中在以下幾個(gè)方向：1） 發(fā)展新的拓頻結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)存的許多寬帶結(jié)構(gòu)存在一系列不良因素，如噪聲大、增益低、功耗大、增益不平坦等。尋求新的拓頻方式，以達(dá)到更優(yōu)的性能。 2） 頻帶向更寬的方向發(fā)展。更寬的帶寬意味著更廣泛的應(yīng)用范圍和更

20、高的性價(jià)比，所以在LNA增益、NF、功耗、線性度等各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求的前提下，總是希望放大器帶寬越大越好。3） 應(yīng)用頻率不斷提高。隨著CMOS器件特征尺寸的進(jìn)一步減小，截止頻率隨之提高，CMOS將全面進(jìn)入之前由GaAs獨(dú)占的領(lǐng)域。20GHz以上的CMOS寬帶LNA已經(jīng)有過報(bào)道。4）設(shè)計(jì)方法論也在不斷完善。其目的是在一定結(jié)構(gòu)下，尋求噪聲、功耗、增益、阻抗匹配、線性度等指標(biāo)的最佳折衷方案，以求能快速設(shè)計(jì)出滿足條件的最優(yōu)寬帶。1.3 論文主要工作本次課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)基于TMSC 0.18m COMS高增益寬帶低噪聲放大器，必須滿足一下要求：1）工作電壓 1.8V2）工作電流 <16m

21、A3）頻率范圍 200M2GHz4）噪聲系數(shù) 3.5dB5）功率增益 Max gain=20dB， Min gain=15dB6）IIP3 15dBm7）輸入阻抗 單端50本論文的具體結(jié)構(gòu)如下：第一章為緒論。主要闡述了本課題的研究背景，研究意義，介紹一下低噪聲放大器（LNA），并介紹一下它的發(fā)展現(xiàn)狀。第二章為理論部分，主要是介紹一下研究和設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)要關(guān)注的幾個(gè)主要參數(shù)指標(biāo)，包括：噪聲系數(shù)、功率增益、輸入匹配、線性度和S參數(shù)，并介紹了相關(guān)的理論，重點(diǎn)介紹了噪聲理論，以及噪聲的消除方法，這些理論基礎(chǔ)對(duì)于我們后面設(shè)計(jì)電路，分析結(jié)果以及電路的進(jìn)一步完善有很大的幫助。第三章為電路設(shè)計(jì)部分，這是本

22、篇論文最重要的部分，在這一部分，我們?cè)敿?xì)的介紹了如何設(shè)計(jì)一個(gè)單端輸入雙端輸出的低噪聲放大器，如何根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求來(lái)設(shè)計(jì)電路中具體的參數(shù)和具體的電路結(jié)構(gòu)，以及如何優(yōu)化電路的性能，提高低噪聲放大器的性能。第四章為結(jié)論，主要是給出仿真結(jié)果并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，以及對(duì)論文的工作進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)未來(lái)進(jìn)行展望。第二章 LNA的主要性能指標(biāo)低噪聲放大器(LNA)作為第一級(jí)增益級(jí)電路，必須滿足多個(gè)性能指標(biāo)，這使得低噪聲放大器的設(shè)計(jì)成為射頻電路設(shè)計(jì)的一大難題。低噪聲放大器的輸入端接著天線，從天線接收到的射頻信號(hào)一般非常弱，只能在-100dB70dB之間，而作為低噪聲放大器的后續(xù)電路的混頻器是無(wú)法處理這么微弱的信號(hào)的，

23、所以首先考慮增益要求。其次，接收到的信號(hào)是具有一定的信噪比(SNR)，為了提高信號(hào)解調(diào)的可靠性，這就要求低噪聲放大器引入的噪聲要盡可能小，這涉及到了噪聲系數(shù)，LNA要有一個(gè)很低的噪聲系數(shù)，才能減小引入到信號(hào)中的噪聲。而后，有時(shí)天線接收到的噪聲信號(hào)或干擾信號(hào)(一般稱為阻塞信號(hào))要比有用信號(hào)強(qiáng)度大很多，所以最好低噪聲放大器還必須具有足夠的線性度，這樣才能使得在出現(xiàn)阻塞信號(hào)時(shí)，也能夠正確放大有用信號(hào)。本章主要對(duì)增益、噪聲系數(shù)、線性度和輸入匹配這幾個(gè)基本理論概念進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。2.1 增益低噪聲放大器的增益要適中，過大會(huì)使下級(jí)混頻器的輸入太大，產(chǎn)生失真。但又不能太小，否則無(wú)法抑制后面各級(jí)的噪聲對(duì)系統(tǒng)

24、的影響。對(duì)任意射頻放大器來(lái)說都有兩種影響增益表現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是射頻晶體管本身，還有一個(gè)則是輸入輸出與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的匹配程度。圖2常規(guī)放大器系統(tǒng)框圖。一個(gè)放大器的特點(diǎn)是由它的散射參數(shù)決定。將放大器看成一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，其中S11，S22是輸入和輸出的反射系數(shù)，S21，S12是正向傳輸系數(shù)和反向傳輸系數(shù)放大器。通過框圖看出，放大器的輸入阻抗經(jīng)過輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和射頻源阻抗匹配，輸出阻抗經(jīng)過輸出匹配網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載相匹配。對(duì)一個(gè)放大器來(lái)說，有電壓增益(AV)、功率增益(G)、轉(zhuǎn)換功率增益(GT)和資用功率增益(GA)，其中，轉(zhuǎn)換功率增益定量描述了插入在信號(hào)源與負(fù)載之間的放大器增益，它是導(dǎo)出其他功率關(guān)系的基礎(chǔ)，資用功

25、率增益是在負(fù)載端口匹配情況下的增益，功率增益是放大器的功率放大上限。 LNA 的增益設(shè)計(jì)通常出于兩點(diǎn)考慮：1) 能夠?qū)Πㄗ钚⌒盘?hào)在內(nèi)的接收信號(hào)提供足夠大的增益使得 LNA 的輸出信號(hào)大于后級(jí)電路的 Noise Floor。一般而言， LNA 的后級(jí)電路 Mixer 的噪聲系數(shù)通常大于 12dB，因此 LNA 的設(shè)計(jì)增益通常需要大于 12dB，才能對(duì)后級(jí)電路的噪聲形成有效的抑制。2) 對(duì)包括有效信號(hào)、噪聲和干擾信號(hào)在內(nèi)的所有通帶內(nèi)信號(hào)的放大能力必須足夠小，以保障后級(jí)電路不至于出現(xiàn)飽和。特別是對(duì)寬帶通信系統(tǒng)而言，根據(jù)式 2-1，其較寬的頻譜資源，使得噪聲功率也較大。PNi = kT * BW式中

26、波爾茲曼常數(shù)k=1.38*10-20mWsec/K，T為絕對(duì)溫度，BW為接收機(jī)的有效噪聲帶寬。由于噪聲功率表現(xiàn)為隨機(jī)函數(shù)的形式，為了更嚴(yán)格的系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮，LNA的增益應(yīng)足夠小，以保證在非常高的概率下，接收機(jī)都是穩(wěn)定工作的，則增益設(shè)計(jì)時(shí)，一種更為苛刻的選擇是對(duì)于噪聲的考慮需要符合3準(zhǔn)則，即接收機(jī)在99.7%的概率下都是可靠的。圖2-1: 常規(guī)放大器系統(tǒng)框圖2.2噪聲 2.2.1噪聲源集成電路在處理模擬信號(hào)時(shí)會(huì)使信號(hào)受到兩種不同種類的噪聲損壞:器件的電子噪聲和環(huán)境噪聲。后者主要指電路受到的來(lái)自電源或者地線、襯底的隨機(jī)干擾。下面主要介紹電子噪聲，主要包括熱噪聲、閃爍噪聲和散粒噪聲等。1.熱噪聲 在

27、導(dǎo)體中熱激勵(lì)的電荷載體構(gòu)成了隨機(jī)變化的電流，它引起了隨機(jī)的電壓。這個(gè)電壓被稱為熱噪聲。熱噪聲正比與溫度T，一個(gè)被稱為“有效噪聲功率”的量由下式給出: PNA=KTf式中，k為玻爾茲曼常數(shù)，約為1.38*10-23J/K；T為絕對(duì)溫度，其單位為K;f為測(cè)量范圍中的噪聲帶寬，其單位為Hz。有效噪聲功率指?jìng)鬟f給負(fù)載的最大功率。傳遞最大功率的條件為：負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻?？梢杂脠D3所示的電路來(lái)計(jì)算有效噪聲功率。圖2-2：電容的 RLC 模型根據(jù)定義，由噪聲電阻傳遞到阻值相同的另一個(gè)電阻的功率就是有效噪聲功率，可以用下面的式子表示：PR1=kTf=iR12×R1|max=en2(R+R1)2&

28、#215;R1|maxR1=RPR1=en24R式中,en2是給定溫度下電阻R在帶寬上所產(chǎn)生的開路均方根噪聲電壓。且en2=4KTRf2.閃爍噪聲閃爍噪聲也稱作1/f噪聲或者粉噪聲，是最為神秘的一類噪聲。正如“1/f”這一項(xiàng)的含義一樣，閃爍噪聲的特點(diǎn)是普密度隨頻率的降低而無(wú)限的增加。通過實(shí)驗(yàn)的測(cè)試表明許多電子系統(tǒng)在低頻下(甚至可以達(dá)到幾分之一微赫茲的低頻)都表現(xiàn)出這樣的特征。由于缺少一致性的理論，在閃爍噪聲的數(shù)學(xué)表達(dá)式中總是包含種種經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，下式可以看出之一現(xiàn)象：N2=Kfnf式中，N為均方根噪聲電流或電壓，K為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，與具體器件有關(guān)。通常情況下n為一個(gè)與1相近的指數(shù)。閃爍噪聲在許多器件中都

29、存在，如電阻，PN結(jié)，MOSFET。我們重點(diǎn)討論MOSFET的閃爍噪聲。許多懸掛鍵在MO S晶體管的硅襯底與柵氧化層的界面處形成，這些懸掛鍵導(dǎo)致額外的能態(tài)產(chǎn)生。當(dāng)載流子運(yùn)動(dòng)這個(gè)交界面時(shí)會(huì)導(dǎo)致載流子被隨機(jī)俘獲，隨后這些能態(tài)釋放又被釋放，所以會(huì)在漏電流中形成“閃爍”的噪聲電流。3.散粒噪聲散粒噪聲也又叫做Schottky噪聲。由于電荷表現(xiàn)出離散束的特性所以當(dāng)電子穿越不同的能量勢(shì)壘時(shí)都會(huì)導(dǎo)致不連續(xù)的電流脈沖的產(chǎn)生。正是由于電荷束的隨機(jī)性使得散粒噪聲表現(xiàn)出全頻帶的特征，也就是我們常說的白噪聲特性。散粒噪聲電流取決于電子電荷、總的DC電流以及帶寬。散粒噪聲取決于所有這些量，如下示：in2=2qIDCf示

30、中，in是均方根噪聲電流：q是電子電荷，約為1.6×10-19C；IDC是DC電流，單位為A；f仍是噪聲帶寬，單位是Hz。散粒噪聲的幅值曲線同樣服從高斯分布。非線性器件并不是都會(huì)表現(xiàn)出散粒噪聲，但是散粒噪聲要求存在電位壁壘，這就意味著散粒噪聲只與非線性器件有關(guān)。由于柵電流非常小，這一噪聲源幾乎可以忽略。3.2.2噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)NF和噪聲因數(shù)F是衡量電子電路和系統(tǒng)噪聲性能的兩個(gè)重要的參數(shù)。F表示一個(gè)內(nèi)部噪聲源的網(wǎng)絡(luò)本身在信號(hào)傳遞時(shí)使信噪比惡化的程度，其定義為輸入信噪比SNRIN和輸出信噪比SNROUT的比值：F=SNRINSNROUT=SINNINSOUTNOUT=SINNINNOU

31、TSOUT=SINNINNOUT,S+K=1MNOUT,KSOUT=SINNINNING2+K=1MNOUT,KSING2=1NINNIN+K=1MNOUT,KG2=1+K=1MNOUT,KNING2=1+K=1MNOUT,KNING2一般噪聲因數(shù)的對(duì)數(shù)形式稱為噪聲系數(shù)，記為：NF = 10logF2.3 動(dòng)態(tài)范圍和線性度低噪聲放大器的動(dòng)態(tài)范圍是指它能夠處理的最大和最小的信號(hào)的能力，它能處理的最小信號(hào)收到接受靈敏度和噪聲的影響，能夠處理的最大信號(hào)收到放大器線性度的影響。動(dòng)態(tài)范圍需要在功耗和噪聲系數(shù)之間折中。增益壓縮是當(dāng)輸入信號(hào)超過一定范圍時(shí)，增益不再和輸入信號(hào)呈線性關(guān)系，會(huì)現(xiàn)增益壓縮的現(xiàn)象。對(duì)

32、信號(hào)失真的和非線性，我們通常用線性度表示，主要是指放大器的二階交調(diào)點(diǎn)和1dB壓縮點(diǎn)兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)。當(dāng)輸入信號(hào)為xt=Acos1t+Acos2t時(shí)，輸出信號(hào)：yt=1AAcos1t+Acos2t+943A2Acos1t+Acos2t+343A3cos1-22t+cos(2-21)t+上式中除了基波的線性項(xiàng)外其余的都是不希一望出現(xiàn)的非線性項(xiàng)，并忽略了三階以上的交調(diào)項(xiàng)。三階交調(diào)點(diǎn)定義為輸出信號(hào)中三階交調(diào)項(xiàng)等于基波項(xiàng)時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)功率。將輸出電壓幅值的平方除以輸入電阻的兩倍就得到：IIP3=23c1c31Rs放大器增壓縮是當(dāng)輸入信號(hào)超過一定值時(shí)，器件達(dá)到飽和，增益不再和輸入信號(hào)呈線性關(guān)系。1dB壓縮點(diǎn)

33、是指定義為基波項(xiàng)小信號(hào)增益相對(duì)于線性放大時(shí)的增益下降1dB時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)功率，表示它可以用下面的式表示：R1dB0.073c1c31Rs輸入三階交調(diào)點(diǎn)和1dB壓縮點(diǎn)通常指這兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)功率，一般以功率的對(duì)數(shù)形式以dBm表示，理論上三階交調(diào)點(diǎn)總是發(fā)生在1dB壓縮點(diǎn)值后，大概相差l0dBm，可以用下面的圖來(lái)描述三階交調(diào)點(diǎn)和1dB壓縮點(diǎn)。圖2-3： IIP3與R1dB壓縮點(diǎn)示意圖2.4輸入阻抗匹配電低噪聲放大器必須與其信號(hào)源匹配。它與信號(hào)源的匹配有兩種方式:一種是噪聲匹配，以獲得噪聲系數(shù)最小為目的。二是共扼匹配，以獲得最大功率和最小反射損耗為目的。本著節(jié)能環(huán)保的原則，低功耗成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的

34、必然趨勢(shì)，目前絕大多數(shù)的低噪聲放大器均采用第二種匹配方法，這樣做可以避免不匹配而引起的低噪聲放大器向天線的能量反射。在電路設(shè)計(jì)中，一般力求兩種匹配接近，在實(shí)現(xiàn)最大傳輸功率50 匹配的情況下，盡可能減小噪聲系數(shù)。匹配網(wǎng)絡(luò)可以采用純電阻網(wǎng)絡(luò)，也可以采用電抗網(wǎng)絡(luò)。電阻網(wǎng)絡(luò)適合于寬帶放大，但電阻本身要消耗功耗，并增加噪聲。采用無(wú)損耗的電抗匹配網(wǎng)絡(luò)不會(huì)增加噪聲，但只適合窄帶放大。低噪聲放大器的匹配方式大致可以分成圖4所示的四種形式以及它們的組合。圖2-4：低噪聲放大器四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第三章 LNA電路設(shè)計(jì)圖3-1：電路設(shè)計(jì)圖上圖是我們最終設(shè)計(jì)和采用的電路圖，我們將電路圖設(shè)計(jì)成這樣，主要是因?yàn)榈驮肼暦糯笃鳎↙

35、NA）必須至少具有如下的兩個(gè)功能：實(shí)現(xiàn)單端輸入雙端輸出，即Balun，類似與變壓器，因?yàn)槲覀儚奶炀€接受到的信號(hào)是一個(gè)單端信號(hào)，而輸出的信號(hào)要通過混頻器和濾波器，要求雙端輸出，所以第一級(jí)電路我們?cè)O(shè)計(jì)成了單端輸入雙端輸出；具有低噪聲放大的功能，要對(duì)信號(hào)能夠進(jìn)行初步的放大和初步的篩選，根據(jù)題目要求，我們需要對(duì)功率范圍為200M2GHz的信號(hào)進(jìn)行放大，所以二級(jí)電路我們選擇了全差法放大器。下面我們將具體介紹一下我們是如何設(shè)計(jì)這兩級(jí)電路的，以及這樣設(shè)計(jì)的原因。3.1輸入級(jí)的設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用中低噪聲放大器后面都會(huì)接一個(gè)變壓器或者兩個(gè)變壓器才能應(yīng)用，我們?cè)跍y(cè)量設(shè)計(jì)的電路的性能和仿真的時(shí)候就是在LNA后面接入了一個(gè)

36、巴倫，模擬實(shí)際的工作環(huán)境，然后查看仿真參數(shù)，是否與要求符合。通過閱讀文獻(xiàn)和查閱相關(guān)的資料，我們選擇了下圖所示的電路結(jié)構(gòu)來(lái)做為輸入級(jí)，這個(gè)電路是一個(gè)共源級(jí)放大器和一個(gè)共柵極放大器并聯(lián)而成，每一個(gè)放大器均有一個(gè)獨(dú)立輸出，從而構(gòu)成了單端輸入雙端輸出的差分結(jié)構(gòu)。M1RsVinVbiasM2R2VoutpVoutnRL 圖3-2：?jiǎn)味溯斎腚p端輸出LNA3.1.1輸入阻抗匹配分析因?yàn)檩斎爰?jí)電路是由兩個(gè)放大器并聯(lián)而成，所以我們分別對(duì)它們進(jìn)行分析，計(jì)算出它們的阻抗，然后在合并圖6所示的是電路的左半部分共柵極電路的小信號(hào)模型，它的輸入阻抗為：Zin，CS=VinIin=Vingm1V1對(duì)于左邊支路來(lái)說Vin=-

37、V1,所以，共柵極放大電路的實(shí)際輸入阻抗為：Zin，CS=VinIin=1gm1 圖7所示的是電路的右半部分共源級(jí)電路的小信號(hào)模型，它的輸入阻抗為：Zin，CS=VinIin=VinjwCgs2Vin=1jwCgs2GDSVinIinCgs1gm1V1V1VoutnR1 圖3-3：共柵極電路的小信號(hào)模型GDSVinIinCgs2gm2VinVoutpR2 圖3-4：共源極電路的小信號(hào)模型因此輸入級(jí)的實(shí)際輸入阻抗為為兩個(gè)電路并聯(lián)以后的阻抗即：Zin=Zin，CSZin，CG =1gm1+jwCgs2由于gm1+jwCgs2在實(shí)際的電路是是非常小的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于gm1，所以可以忽略不計(jì)，所以輸入級(jí)電路

38、的實(shí)際阻抗大約為：Zin=1gm1題目要求輸入阻抗單端要為50，以前一級(jí)的天線阻抗匹配（我們默認(rèn)天線的輸出阻抗為50），只有阻抗匹配，才能達(dá)到最大傳輸功率，才能很好的將信號(hào)從天線傳遞到LNA中，所以，輸入級(jí)的輸入阻抗要為50，即：Zin=1gm1=Rs=50Ohm則gm1=20mS,也就是說我們需要調(diào)節(jié)M1管的偏置電壓和長(zhǎng)寬比，來(lái)使得gm1=20mS，就能夠大致上達(dá)到輸入匹配。3.1.2噪聲分析從設(shè)計(jì)的電路中可以看出，電路引入的噪聲主要來(lái)源于輸入級(jí)，而輸入級(jí)的噪聲主要來(lái)源于M1管、M2管、M3管和M4管，輸入級(jí)中M3管和M4管是主要工作管，所以其產(chǎn)生的噪聲要遠(yuǎn)大于M1管和M2管產(chǎn)生的噪聲，所以

39、我們可以忽略M1管和M2管產(chǎn)生的噪聲。由于題目要求的頻率范圍為200M2GHz，所以我們只用考慮M3管和M4管產(chǎn)生的熱噪聲即可。由于M4管的噪聲很難消除，所以我們主要是想辦法消除M3管產(chǎn)生的噪聲。（1） 噪聲消除原理圖如下圖所示：VAM3RsVinVbiasM4R2VCVBR1inIbias 圖3-5：噪聲消除原理圖 從原理圖中可以看出，噪聲電流主要是由于圖中M3管產(chǎn)生的熱電流造成的，首先我們先求出in對(duì)于VA、VB、VC的電壓的影響，因?yàn)閕n和iin是獨(dú)立的，可以用疊加法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。inRS=VA+VA*gm3RSVA=inRS1+gm3RSin-VAgm3RS=VAin-VAgm3R1=-

40、VBVAgm4R2=-VCVB=-R1in1+gm3RSVC=-R2inRS1+gm3RSgm4上述的VB、VC的值就是噪聲電流in對(duì)于電路的影響，要想消除噪聲，只要保證VB=VC即可-R1in1+gm3RS=-R2inRS1+gm3RSgm4gm3R1=gm4R2這樣就可以抵消噪聲，且不會(huì)對(duì)有用的輸入信號(hào)產(chǎn)生任何衰減。因?yàn)檩斎胄盘?hào)在VB、VC處產(chǎn)生的電壓相位相差180°。（2） 噪聲分析整個(gè)輸入級(jí)的噪聲可以用如下的公式來(lái)表達(dá)：F=1+gm3R1-Rsgm4R22RsAV2+gm4R221+Rsgm32RsAV2+(R1+R2)(1+Rsgm3)2RsAV2由噪聲原理可以知道，要想消

41、除M3管產(chǎn)生的噪聲，必須滿足gm3R1=gm4R2由于gm3=1RS,所以gm4R2RS-R1=0由上述公式可以看出AV越大，F(xiàn)越小，由于AV=共柵+共源=gm3R1+gm4R2所以R1、gm4、R2增大都能使得AV增大，在這里，由于要求輸入阻抗匹配，所以gm3=20mS所以AV增大F就會(huì)減小，由于噪聲系數(shù)：NF = 10log F所以NF就會(huì)減小。 可是R1、gm4、R2并不是越大越好，太大就會(huì)使得電路的功耗大大的增加，太小了，又會(huì)使得噪聲系數(shù)過大，沒法滿足題目的要求，因此，我們要取一個(gè)相對(duì)合理的值，使得整個(gè)輸入級(jí)電路的功耗既不能過大，噪聲系數(shù)還能滿足題目的要求，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般取gm4=4g

42、m3，R1=4R2，所以我們要調(diào)整M4管的參數(shù)，使得gm480mS。3.2輸出級(jí)的設(shè)計(jì) 從輸入級(jí)的分析中可以看出，天線輸入過來(lái)的信號(hào)經(jīng)過輸入級(jí)變成了差模信號(hào)，有一個(gè)180°的相位差，而噪聲信號(hào)經(jīng)過輸入級(jí)變成了共模信號(hào)，全差分放大器具有抑制共模信號(hào)，放大差模信號(hào)的作用，所以，如果輸出級(jí)采用了全差分放大器，就可以抑制噪聲信號(hào)，放大有用信號(hào)，所以經(jīng)過考慮，我們選用了全差分放大器來(lái)作為我們的輸出級(jí)。輸出級(jí)電路圖如下圖所示：圖3-6：輸出級(jí)電路圖這一級(jí)電路有兩個(gè)主要作用，第一個(gè)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的放大，如上圖所示，其增益為：Av=-gm1R1=-gm2R2第二個(gè)作用就是達(dá)到題目中對(duì)于線性度的要

43、求。跟線性度有關(guān)的參數(shù)主要是IIP3由gm1的二階導(dǎo)數(shù)決定，可以通過如下的公式進(jìn)行判斷：gm,FDA=IDV=12nCoxWL4IbiasnCoxWL-2V24IbiasnCoxWL-V2第四章 結(jié)論通過不斷的調(diào)試參數(shù)，我們最終使得所設(shè)計(jì)的電路大體上滿足了題目的要求，這一章主要是對(duì)我們的仿真結(jié)果進(jìn)行分析。通過理論分析，我們知道S參數(shù)中的S11對(duì)應(yīng)這題目要求的輸入阻抗50，即<-10dB，S21對(duì)應(yīng)的是題目要求的功率增益，要在15dB20dB之間S22對(duì)應(yīng)的是輸出阻抗，題目中沒有要求，但是我們還是展示出來(lái)，以供參考。（1）噪聲系數(shù)NF圖4-1：噪聲系數(shù)分析結(jié)果從圖中可以看出在200M2GH

44、z的頻率范圍中，噪聲系數(shù)NF<4.62dB，而題目中要求的是NF3.5dB，這是我們?cè)O(shè)計(jì)的電路唯一不滿足題目要求的參數(shù)，NF要偏大，我們?cè)诜抡娴臅r(shí)候試圖改變R1、gm4、R2的值，使他們變大，從而降低噪聲系數(shù)，但是變大以后M3管和M4管都進(jìn)入了線性區(qū)，輸入級(jí)電路不能正常工作，不管如何修改均無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，最終我們推斷可能是因?yàn)檐浖旧泶嬖谝欢ǖ膯栴}，學(xué)姐跟我們說可能是我們使用的cadence里面有的仿真計(jì)算公式有問題，還有可能是電路存在一點(diǎn)問題。（2）輸入阻抗（S11）圖4-2：輸入反射系數(shù)從圖中可以看出<-10dB，即輸入阻抗?jié)M足50，能夠滿足輸入匹配，可以保證最大傳輸功率，（3） 功