低噪声放大器_706007146

清华大学微电子学研究所Apr.01低噪声放大器的分析与设计池保勇清华大学微电子学研究所设计室z参考书：池保勇、余志平、石秉学，CMOS射频集成电路分析与设计§8成电路分析与设计，§8J.Janssens,CMOSCellularReceiverFront-Ends,KluwerAdiPblih2002§6AcademicPublishers,2002,§6ThomasH.Lee,TheDesignofCMOSRadio-FrequencyIttdCiit(SdEdi)2004§12IntegratedCircuits(SecondEdi.),2004,§12提要提要zLNA概述性能指标功率匹配与噪声匹配输zLNA概述：性能指标、功率匹配与噪声匹配、输入阻抗匹配、稳定性z共栅放大器结构z共栅放大器结构z源简并电感型共源放大器：输入匹配、有效跨导，噪声系数与优化噪声系数与优化z源简并电感型共源低噪声放大器：放大器拓扑结构、增益、输入节点寄生电容的影响、LNA设计方程晶体管尺寸的选择方程、Cascode晶体管尺寸的选择z低噪声放大器的设计策略：等高线设计方法、其它设计考虑它设计考虑z宽带低噪声放大器简介z衡量LNA性能的参数及典型值z功率匹配与噪声匹配的区别功率匹配与噪声匹配的区别z判断射频放大器稳定性的方法LNA概述LNA概述衡量LNA性能的参数及典型值衡量LNA性能的参数及典型值CMOS工艺（018um)CMOS工艺（0.18um)NF2～4dBIIP3－10～－2dBmS21(正向增益)12～25dB()输入、输出阻抗50ΩS11S22（反射系数）－10dBS11、S22（反射系数）10dBS12（反向增益、隔离度）－20dB稳稳定性K1、|Δ|1功耗（单端电路）2～5mAX1.8V功率匹配SZLVSVLZ22*11ZVV⎫⎧⎞⎛{}**Re21Re21LSLLSLLLLZZZZVZVVP+=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=0)(,0)2(02222=+=+++−⇒=∂∂=∂∂LSLLLSSLSLLLLXXXXXXXRRXPRPz最大功率传输条件：负载阻抗与源阻抗共轭LL**max)(SLLLZZZP=⇐噪声匹配SZ2nv2ni2nsvsvLZ两端网络噪声模型inZz两端口网络噪声模型])()[(22nBBGGRFF++=z噪声匹配条件：信号源阻抗等于特定的优化噪声阻抗])()[(minoptSoptSSBBGGGFF−+−+=z噪声匹配条件：信号源阻抗等于特定的优化噪声阻抗optoptSSSSjBGjBGZZF+=+=⇐)(minoptoptSSSSjj)(min射频放大器中的功率匹配与噪声匹配z射频放大器的通用结构SΓLΓincPLPinΓoutΓz功率匹配：**max,outLinSLZZZZP==⇐z噪声匹配：jBGjBGZF+=+=⇐Γ)(z大多数条件下功率匹配与噪声匹配的条件并不能同时满足optoptSSSSjBGjBGZF+=+=⇐Γ)(min输入阻抗匹配z输入阻抗匹配的重要性：¾最大功率传输率传输¾前置滤波器要求50欧姆的负载终端dB3−dB40−MatchedTerminationUnmatchedTermination¾PCB连线需要：传输线走线，匹配终端情况下不用考虑走线长度MatchedTerminationUnmatchedTermination走线长度实现阻抗匹配的方法实现阻抗匹配的方法VBVinZPRinZinZinZ电感源简并电感源简并共源放大器共栅放大器并联电阻并联－串联反馈射频放大器的稳定性iPSΓLΓLPincPinΓoutΓLz射频放大器的稳定性条件：晶体管输入端和输出端的各种反射系数的幅度必须小于1否则说明反端的各种反射系数的幅度必须小于1，否则说明反射波的幅度大于入射波，晶体管网络或者匹配网络本身在提供能量即发生了振荡络本身在提供能量，即发生了振荡1,1,1,1ΓΓΓΓoutinLSz绝对稳定性条件：2221,12211SS12121122222211Δ+−−=SSSSK121122211−=ΔSSSS稳定性判别因子z共栅放大器的基本特性共栅放大器结构共栅放大器结构基本特性LZDDVz阻抗匹配：¾1/g=RS（实部）Loutv¾1/gmRS（实部）¾虚部:M1源极的寄生电容和ZS,可忽略SRBV1M忽略svSZinvinZz低频噪声系数：（忽略晶体管栅极阻抗ZS和ZL引入的噪声）s栅极阻抗、ZS和ZL引入的噪声）αγγγγ+=+=+=ΔΔ+Δ=111)/4(4)/4(000dSdLdLSggRgfRRkTfRgkTfRRkTFαΔ)/4(mLSgfRRkT长沟道：γ=2/3,α=1,NF=2.2dB短沟道：若γ/α=2,则NF=4.8dB电路例子zLS与晶体管源端的寄生电容谐振，使得输入阻抗呈纯电阻性，同时提供偏置LDDVzLd与输出端的寄生电容谐振，提供谐振负载ωLdQdLoutvBV负载ωLdQz谐振条件：111invBV1M)/(1)(1)(1222pTmgdpgsgdpgddCgCCCCL+=+≈+=ωαωαωωSLinZz电压增益：ωωαωωαωωωQgCQCggQLgATmdmv⋅+=+⋅=⋅=/)/(12z1umCMOS工艺◎1GHz：NF=3dB,Av=22dBP=22mAX3VωωαωαωgCCgmpTgdpTmgd++/)/(Av=22dB,P=2.2mAX3Vz输入匹配z有效跨导z噪声系数与优化z噪声系数与优化源简并电感型共源放大器结构源简并电感型共源放大器结构晶体管的简单I-V方程zI－V方程：适合于晶体管工作于饱和区和载流子速度饱和区的手工计算沟道长度调制短沟道效应（载流子速度饱和）)(1111)(212TGSoxDSVVVVVLWCIΘ+Λ−=μ度饱和）z跨导：)(112TGSDSVVVL−Θ+Λ−)(12/)(1)(1111)(TGSTGSTGSDSTGSoxGSDSmVVVVVVVVVLWCVIg−Θ+−Θ+−Θ+Λ−−=∂∂=μz特征频率与（VGS－VT）之间的关系：近似呈正比关系比关系输入阻抗outiSR1Mz常用结构：在实现输入阻抗匹配的条件下通过优化设计可近似达到噪声匹配的要求gLEZinZsv声匹配的要求z输入阻抗：EEmsLZZsLZgZZ++++++ω11gETEgsgEgsmEgsinsLsZsCsLsCZsCZ+++=+++=ωLLLsZsLZω+++=⇒=1)(z谐振条件：sTgssginsELsCLLsZsLZω+++=⇒=)(SsTininRLZZCLL→=ℜ=⇒+=ωω)()(10z晶体管源极寄生电容引入负阻，对匹配性能产生影响gssgCLL+)(GgLoutiSRD匹配性能产生影响z考虑晶体管栅极的非准静态阻抗和寄生阻抗gsCSgsmvgZgsvinZsv寄生阻抗EZsTGNQSginLRrZω++=ℜ,)(gg－1ro和Cgd对输入阻抗的影响outiSR1Mz考虑ro后的输入阻抗：osrLgsLZ++=1gLEZinZsvz影响放大器采用LC谐振负载在LsogsmsgsinZsLrCgsLsCZ++++=LiRz影响：放大器采用LC谐振负载，在负载谐振点附件,|sLs+ZL|很大，大大减小输入阻抗的实部，出现深沟。gsCGSgsmvggLgsvoutiiZSRsvD大减小输入阻抗的实部，出现深沟。深沟出现的频点及幅度与输入匹配网络的谐振频率和负载阻抗的谐振SEZinZs频率的相对位置有关zCgd的影响：Miller效应sTLZ][=ℜωgz减小r和Cd的影响：CascodegsgdinCCZ/21][+=ℜM1漏端接一个相同尺寸z减小ro和Cgd的影响：Cascode技术M1漏端接个相同尺寸的Cascode管时的输入阻抗的实部有效跨导z有效跨导outiSR1Mz有效跨导moutgigsLZ==⇒=gLEZinZsvz输入阻抗匹配条件下：smsgsgsseffmsEsLgRsLsLsCvgsLZ++++==⇒=1)(,z输入阻抗匹配条件下：TinmmeffmRQgCRggωωω221,=⋅=⋅=zQin为晶体管栅源电压与输入电压的比值，即输入信号SgsSffRCRωω22到达M1栅极时被放大的倍数zQin1，提供一定的增益，减小M1噪声和输出级噪声in对NF的贡献，但Qin太高，会放大工艺偏差的影响。Qin＝2～3，允许Lg,Ls和Cgs存在10％～20％的偏差，ing,sgsS11仍可以满足要求阻抗不匹配程度对放大器增益的影响outiLSR1M抗程度对放大增影gLEZinZsvz引入功率－电流转换效率（PCC）来衡量放大器的增益性能（Pav为可获得源功率）avSTSeffmoutCCRRgPiP1)(4)(202,21⋅===Ω−ωωz输入阻抗的虚部为0，Rin＝ωTLs≠RSSavRP0ωTg1ωinSTsmsgsgsmeffmRRsLgRsLsLsCgg+⋅=++++=11)(,ωω21R22222)1(1)(|)(4Γ−=+=+−=ΓSTRRRRinSSTRRRRPCCSinSinωωωωz在满足Г-10dB时，不匹配可以提高增益（最多达2dB）噪声优化MOS晶体管的噪声模型MOS晶体管的噪声模型简化的MOS晶体管噪声模型简化的MOS晶体管噪声模型源简并共源放大器的计放大器的计算噪声性能的等效电路噪声优化αz噪声因子：αzF是ωt与Q的函数，ωt=f1(VGS－Vt)，Q=f2(W)是t与Q的函数，t1(GSt)，Q2()z在保持ωt不变的前提下对Q优化，功耗不一定最低¾针对某一个工艺，选定VGS-Vt，打印F与Q的曲线，寻找F最低点所对GSt应的Q值，从而确定晶体管的沟道宽度与功耗z在Q不变的前提下对ωt优化针对某个艺选定打印与的曲线寻找最低点所对应的¾针对某一个工艺，选定W，打印F与ωt的曲线，寻找F最低点所对应的ωt值，从而确定晶体管的VGS-Vt与功耗z在功耗受限的前提下的优化DSIspecifiedNFz在功耗受限的前提下的优化¾ID=f(VGS-Vt,W)=f(ωt,Q)=ωt=f-1(ID,Q)¾然后让F针对Q来做优化ClassicalNoiseLimitedNQSlimitedaQTGSVV−bz放大器拓扑结构放大器拓扑结构z增益z输入节点寄生电容的影响z输入节点寄生电容的影响zLNA设计方程zCascode晶体管尺寸的选择源简并电感型共源低噪声放大器zCascode晶体管尺寸的选择源简并电感型共源低噪声放大器放大器拓扑结构z驱动电阻型负载：放大器输出是功率信号，需要具有输出匹配网络，负载阻抗为：RL＝ωLQ/2LQz驱动电容型负载：放大器输出是电压信号，负载阻抗为RL＝ωLdQ抗为RLωLdQM2LODDVDDVdLLRM1RFIFDown-ConverterLCLRLRXRj||2LaRPgdC)(PoleCascode)(EffectMillercωM)(McT,cm,2ωgcg,LBVXRj||2L−bfilterRoutPgLLZSRvCgd)(MTm1ωgsLinZsvPC增益z输出信号为电压信号：功率－电压转换效率LTLoutRRRPCCPvPVC222)()(ω=⋅==ΩSLavRP0)()(ωz输出信号为功率信号：功率增益81)(2*202LQRRPiPPGTLoutouttωωω⋅=⋅==82*20RPPSavavω输入节点寄生电容的影响gLSRMseffm,vg⋅eqg,0eqs,jLωR+ab输入节点寄生电容的影响z对输入阻抗匹配的影响CωinZsv1MsLPCmg)1(212222,20|)()1()1(2mTpTSpgCRCTmTpSeqSgCRRωωωωωω++=Ψ−Ψ−Ψ+Ψ+≈eqs,Z0ω0)1)2(-(-realisR,rR2T2eqS,NQSg,eqS,≥ΨΨ⇒≥ωωmax,020)1)(1(2SmTpTpTSRgCCR=+−≤ωωωωωz对PCC的影响：0mgeqSTRPCC,201)(ωω=z对噪声系数的影响：