CMOS射频低噪声放大器设计

3/10/20201低噪声放大器(LNA)张玉明西安电子科技大学微电子学院[e-mail]第11和第12章3/10/20202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3/10/20203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3/10/20204平均功率Pavlimt1Tx2(t)dtT/2T/2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单位为V2均方根值（rootmeansquare）的定义：2/2/2)(1limTTtavdttxTPrms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3/10/20205噪声谱又称为“功率谱密度”(PSD:Powerspectraldensity)；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3/10/20206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)2()(,)()()(2jfsHfHfHfSfSXY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3/10/20207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3/10/20208“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）2121122,1)(2)()(ffXffXffXffdffSdffSdffSP“双边”谱“单边”谱3/10/20209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：Probabilitydensityfunction，定义为：–许多随机量的PDF表现为高斯（正态）分布，如电阻的噪声的概率dxxXxdxxPX)(3/10/202010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2/2/21212/2/212/2/222/2/212/2/221)()(21lim)()(21lim)(1lim)()(1lim)]()([1limTTtavavTTtTTtTTtTTtavdttxtxTPPdttxtxTdttxTdtttxTdttxtxTPx1(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3/10/202011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2/2/2121)()(21limTTtavavavdttxtxTPPPAIC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3/10/202012噪声的分类•“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3/10/202013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HznVVKTRfRkTIfkTRVnnn/91.0300,50)(4);(422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3/10/202014RC电路的输出噪声•计算RC电路的输出噪声谱和总噪声功率11)(sRCsVVRout1414)()()(22222fCRkTRjVVfSfSRoutRoutCkTdffCRkTRPoutn02222,1441pF电容时为64.3V与R无关，只能增大C来减小噪声,速度和精度的矛盾开关电容电路的采样噪声3/10/202015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)(4);(422fRkTIfkTRVnn3/10/202016MOS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）2222)32(4OmOnnrgkTrIV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3/10/202017MOS管欧姆区的热噪声•欧姆区热噪声–栅、源、漏的材料电阻引入的热噪声栅噪声p.263公式103/10/202018MOS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FVKfWLCKVoxn2252101数量级1/f噪声减少1/f噪声主要靠增大器件面积3/10/202019MOS管的闪烁噪声（对长沟道器件）8313242kTgWLCKfgfWLCKgkTmoxcmcoxmfWLCKVoxn12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3/10/202020MOS管的总噪声•在1KHz—1MHz频带内，计算NMOS管源漏电流的总噪声)32(42mngkTI6362,10)32(4)1010)(32(4mmtotngkTgkTI1/f噪声：热噪声：22/1,1mOXfngfWLCKIfWLCKVoxfn12/1,WLCKgWLCKgfdfWLCKgIOXmOXmMHzKHzOXmftotn2321122/,1,91.610ln3/10/202021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Vn,out24kT23gmKCoxWL1fgm24kTRDRD2M1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3/10/202022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22,2,voutninnAVV3/10/202023电路中噪声的表示Vn,in2Vn,out2Av2Vn,out2gm2RD2Vn,in24kT23gmKCoxWL1fgm24kTRDRD21gm2RD24kT23gmKCoxWL1f4kTgm2RD计算输入参考噪声电压等效热噪声电阻RT：电路在单位带宽内的总的输入参考热噪声等于RT的热噪声）＋（热噪声部分DmminnRggkTV22,,1324DmmTRggR2132＋3/10/202024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3/10/202025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3/10/202026电路中噪声的表示串联电压源和并联电流源的计算)/1(432422,噪声不含fRgkTgkTVDmminn22222,2,)4324()1(DDmDmininnoutnRRkTgkTRgCIV)132(4)(222,DmmininnRggkTCI3/10/202027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,out3/10/202028电路中噪声的表示3/10/202029电路中噪声的表示3/10/202030电路中噪声的表示3/10/202031电路中噪声的表示3/10/202032二端口网络的噪声系数YC相关导纳3/10/202033二端口网络的噪声系数3/10/202034GsRBBGGGGsRYYGFnsCscunscu222)()(11我们已经明确地把每个导纳分解成电导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)。])()[(][2122minmin2optsoptssnCoptnoptcnusoptcsBBGGGRFFGGRFGGRGGBBB噪声最优和功率最佳3/10/202035MOS最小噪声系数和最佳噪声匹配MOSFET有两个噪声源3/10/202036MOS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3/10/202037射频放大器中的功率匹配与噪声匹配3/10/202038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3/10/202039LNA特点(1)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3/10/202040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。3/10/202041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：3/10/202042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。3/10/202043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。•低噪声放大