低噪聲放大器的熱噪聲分析與仿真

低噪聲放大器的熱噪聲分析與仿真

噪聲限制了電路能夠正確處理的最小平均電氣信號(hào)。由于噪聲嚴(yán)重影響了電路的能耗、速度和線性，現(xiàn)代模擬電路設(shè)計(jì)師往往必須解決噪聲問題。本文主要分析各種噪聲機(jī)制產(chǎn)生的白噪聲以及計(jì)算這些噪聲的方法,同時(shí)引入一種低噪聲放大器的結(jié)構(gòu),并對(duì)該電路的各個(gè)功能模塊的噪聲進(jìn)行計(jì)算,利用HSPICE仿真軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,并提出了優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)以減小噪聲的方案。1噪聲源1.1外部電流的隨機(jī)隨機(jī)沖流沖擊噪聲又稱為散彈噪聲,它總是出現(xiàn)在二極管、MOS晶體管和雙極型晶體管中。三極管中每個(gè)通過節(jié)點(diǎn)的載流子都可視為隨機(jī)事件,所以,穩(wěn)定的外部電流I事實(shí)上是由大量的隨機(jī)獨(dú)立的電流脈沖組成的。I的波動(dòng)稱為沖擊噪聲,如果電流I由一系列平均值為ID的隨機(jī)獨(dú)立脈沖組成,則產(chǎn)生的噪聲電流的均方差值為其中q是電子電荷(1.6×10-19C),Δf為帶寬,單位為Hz,ID由產(chǎn)生噪聲的電路決定。1.2導(dǎo)電導(dǎo)電中電子的熱運(yùn)動(dòng)熱噪聲由與沖擊噪聲完全不同的機(jī)制產(chǎn)生。在一般的電阻中,是由電子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起的,并不受直流電流的影響。導(dǎo)體中電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)盡管平均電流為零,但是它會(huì)引起導(dǎo)體兩端電壓的波動(dòng)。因此,熱噪聲譜與絕對(duì)溫度成正比。1.2.1集成電路中元件的熱噪聲(1)頻率密度的模擬如圖1.1所示,電阻R上的熱噪聲可以用一個(gè)串聯(lián)的電壓源或并聯(lián)的電流源來模擬,頻譜密度的形式為其中k是波爾茲曼常數(shù),在室溫下4kT=1.66×10-20VC(2)噪聲效電晶體管基極電阻rb是物理電阻所以產(chǎn)生熱噪聲。集電極串聯(lián)電阻rc同樣有熱噪聲,但是因?yàn)樗c集電結(jié)串聯(lián),所以噪聲可忽略掉,模型中通常不包含這個(gè)噪聲。包括噪聲的雙極型晶體管完整的小信號(hào)等效電路圖如圖1.2。因?yàn)樗麄冇瑟?dú)立分開的物理機(jī)制引起,所以噪聲源互相獨(dú)立,白噪聲的均方值各為(3)長(zhǎng)溝道晶體的噪聲MOS晶體管也有熱噪聲,最大的噪聲源是在溝道中產(chǎn)生的。對(duì)于工作在飽和區(qū)的長(zhǎng)溝道MOS器件的溝道噪聲可以用一個(gè)連接在源漏兩端的電流源來模擬,如圖1.3,其頻譜密度為其中的系數(shù)γ對(duì)于長(zhǎng)溝道晶體管可由推導(dǎo)得到,為2/3;而對(duì)于亞微米MOS晶體管,γ可能需要一個(gè)更大的值來代替。2低噪聲源的功能與噪聲計(jì)算2.1低噪聲放大器如圖2.1所示,低噪聲放大器(LNA)處于射頻接收機(jī)的最前端。低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號(hào),降低噪聲干擾,在克服噪聲的條件下為后級(jí)提供足夠高的增益,以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù),所以低噪聲放大器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收機(jī)來說是至關(guān)重要的。本文中的低噪聲放大器工作頻率范圍為76MHz至108MHz。雙極型放大器是低噪聲放大器中最常見的選擇。在射頻范圍內(nèi),MOS管的主要噪聲源為溝道熱噪聲、柵感應(yīng)噪聲與柵分布電阻熱噪聲。由于MOS晶體管的溝道電阻產(chǎn)生比較大的熱噪聲,所以選擇雙極輸入會(huì)得到一個(gè)相對(duì)好的噪聲系數(shù)。低噪聲雙極型放大器,可提供極低的輸入電壓噪聲密度和相對(duì)較高的輸入電流噪聲密度。本文主要研究雙極型低噪聲放大器的熱噪聲。2.2射隨驅(qū)動(dòng)電路低噪聲放大器主要放大部分如圖2.2所示,VCCA和RFGND分別為2.5V的電源和0V的地。整個(gè)電路的增益主要靠第一級(jí)由Q3、Q4組成的共基輸入放大器,射頻信號(hào)RFI1和RFI2分別為Q3和Q4的射極輸入。第二級(jí)為由Q5和Q6組成的射隨驅(qū)動(dòng)電路,Q3和Q4的在集電極的輸出信號(hào)分別由Q5和Q6的基極輸入,由OUT1和OUT2輸出。射隨器具有高輸入電阻,低輸出電阻和近似為單位1的電壓增益,對(duì)增益基本沒有貢獻(xiàn)。下面主要以低噪聲放大器電路的輸入電阻和輸出電阻來估算電路的熱噪聲。(1)本電路上的0值通過對(duì)電路仿真,可知流過輸入端晶體管Q3、Q4的集電極電流為340μA。β0為晶體管小信號(hào)電流增益,本電路中β0值為187。第一級(jí)共基放大結(jié)構(gòu)中由RFI1和RFI2看進(jìn)去的輸入電阻為其中,gm為晶體管小信號(hào)跨導(dǎo),表達(dá)式為rπ為晶體管小信號(hào)輸入電阻,表達(dá)式為將式(2.2)和式(2.3)代入式(2.1)中,得則電路輸入端在帶寬為76MHz至108MHz之間的總熱噪聲電壓為即(2)器件內(nèi)阻的確定第二級(jí)的射隨放大器中由OUT1和OUT2看進(jìn)去的輸出電阻表達(dá)式為式(2.7)中,Rs為輸入信號(hào)源的內(nèi)阻,rπ為器件的小信號(hào)輸入電阻,r0為晶體管小信號(hào)輸出電阻。如果β0>>1且r0>>(1/gm)+Rs/(β0+1),則Rs為前一級(jí)的共基極放大器等效輸出的電阻,由電路可知,Rs為1.9044kΩ,根據(jù)式(2.8)可得則電路輸出端在帶寬為76MHz至108MHz之間的總熱噪聲電壓為即3低噪聲源熱噪聲的模擬分析3.1器的輸入噪聲譜密度用HSPICE仿真軟件對(duì)低噪聲放大電路的噪聲進(jìn)行仿真,對(duì)電路進(jìn)行交流小信號(hào)分析,同時(shí)進(jìn)行噪聲分析。由仿真結(jié)果可知,如圖3.1,低噪聲放大器的在頻率為76MHz時(shí)的輸入噪聲譜密度的均方根值為1.3934,頻率為108MHz時(shí)的輸入噪聲譜密度的均方根值1.3935。在76MHz~108MHz帶寬范圍內(nèi),利用仿真得出頻率為76MHz和頻率為108MHz時(shí)的輸入噪聲譜密度均方根值,利用兩個(gè)值求平均值可得出頻帶內(nèi)的平均噪聲譜密度均方根值,則計(jì)算得出頻帶內(nèi)低噪聲放大器的輸入噪聲為所得到的輸入噪聲7.86μVrms與利用輸入電阻估算的輸入噪聲6.36μVrms基本一致。3.2低噪聲放大器輸出噪聲如圖3.1由仿真結(jié)果得,低噪聲放大器在頻率為76MHz時(shí)輸入噪聲譜密度的均方根值為2.486,頻率為108MHz時(shí)輸入噪聲譜密度的均方根值為2.365?？梢杂?jì)算得出頻帶內(nèi)低噪聲放大器的輸出噪聲為所得到的輸出噪聲13.72μVrms與利用輸出電阻估算出的輸入噪聲10.89uVrms基本一致。由以上分析可以得出,計(jì)算得到的低噪聲放大器的輸入熱噪聲和輸出熱噪聲基本上與仿真得到的結(jié)果一致,由于HSPICE測(cè)得的噪聲中除了熱噪聲還包括閃爍噪聲,散彈噪聲等其他的噪聲,所以計(jì)算的熱噪聲小于測(cè)得的總噪聲值,基本符合電路特性。4結(jié)構(gòu)熱噪聲的影響本設(shè)計(jì)中主要采用了共基極輸入及射隨器作為輸出端的方法來降低熱噪聲。低噪聲放大器模塊采用兩級(jí)放大,第一級(jí)為共基極輸入放大器,共基極有時(shí)用作低輸入阻抗的電流放大器,低輸入阻抗與輸入的熱噪聲成正比,所以決定了電路的輸入熱噪聲較小。除此之外雙極型LNA共基極結(jié)構(gòu)相對(duì)于共射極電路還具有三個(gè)優(yōu)點(diǎn):更為簡(jiǎn)單的輸入匹配、更高的放大線性度和更大的逆向隔離。射隨器具有近似的單位電壓增益,跟隨級(jí)的等價(jià)輸入噪聲電壓不改變地傳入到輸入端,但是由于跟隨級(jí)的輸出是在射極輸出的,而射極是低阻抗的,由射極的負(fù)載電阻產(chǎn)生的噪聲相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)的輸出熱噪聲明顯減小。通過對(duì)以上結(jié)構(gòu)的熱噪聲特性的分析,對(duì)電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果要進(jìn)一步降低電路的熱噪聲,則需要采用增大晶體管β值以降低電路的輸入、輸出電阻的方法來優(yōu)化電路,但此方法并不是減小熱噪聲的主要方法。如在仿真中將晶體管的β值由187增大為300,則可以得出,電路的輸入噪聲為7.858μVrms,輸出噪聲為13.65μVrms,輸入噪聲與輸出噪聲都有所減小,但變化的幅度很小。減小熱噪聲的主要方法可以通過在版圖上增大晶體管的發(fā)射區(qū)面積來實(shí)現(xiàn)。比如,仿真中將兩個(gè)輸入管的發(fā)射區(qū)面積增加一倍,則可以得出電路的輸入噪聲減小為7.265μVrms,輸出噪聲減小為10.45μVrms,熱噪聲減小的幅度為7%。5聲放大器電路的仿真本設(shè)計(jì)基于JazzSemico