CMOS低噪声放大器的设计与优化

浙江大学信息与电子工程学系硕士学位论文CMOS低噪声放大器的设计与优化姓名：黄晓华申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：周金芳;陈抗生20100125CMOS低噪声放大器的设计与优化作者：黄晓华学位授予单位：浙江大学信息与电子工程学系相似文献(10条)1.期刊论文黄清华.刘训春.郝明丽.张宗楠.杨浩.HuangQinghua.LiuXunchun.HaoMingli.ZhangZongnan.YangHao2dB噪声系数的Ka波段宽带高增益单片低噪声放大器-半导体学报2008,29(8)报道了一种基于商用0.15um赝配高电子迁移率晶体管工艺的单片低噪声放大器,工作频率范围为23~36GHz.它采用自偏置结构.对晶体管栅宽进行了优化设计减小栅极电阻,以得到低的噪声系数.采用吸收回路和加电阻电容网络的直流偏置结构提高电路稳定性,用多谐振点方法和负反馈技术扩展带宽.测试结果表明,其噪声系数低于2.0dB,在31GHz处,噪声系数仅为1.6dB.在整个工作频带范崮内,增益大于26dB,输入回波损耗大于11dB,输出回波损耗大于13dB.36GHz处的ldB压缩点输出功率为14dBm.芯片尺寸为2.4mm×1mm.2.学位论文周建明基于DECT无线接入系统射频低噪声放大器的设计2010随着无线通信领域的蓬勃发展和广泛应用，对无线接收机提出了越来越高的要求。而基于CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺的射频集成电路有着广泛的市场和发展前景。无线终端系统的小型化、低功耗、低成本和高性能已成为发展趋势，CMOS工艺以它低成本、低功耗和高集成度，成为世界产业界的主流工艺。对于多级级联系统，第一级的噪声性能对整个系统的影响最大，而低噪声放大器(LNA)作为无线通信系统射频接收机前端的关键模块，它的性能对射频接收系统的性能起着至关重要的作用。所以，本论文基于无线通信系统的要求，完成了一个可以应用在1.9GHzDECT无线接入系统中的低压低功耗低噪声放大器的设计。br　　本论文首先介绍了DECT无线接入系统理论和低噪声放大器的两个重要性能指标一噪声与线性度特性，重点分析了射频前端超外差接收机系统结构、低噪声放大器对DECT无线接收机系统性能指标的影响以及二端口网络噪声和级联系统中噪声与线性度的特性。然后提出了低噪声放大器的设计指标，对比分析了传统拓扑结构的低噪声放大器性能，并在低压低功耗经典折叠共源共栅结构的低噪声放大器基础上提出了一种采用非线性补偿技术的折叠共源共栅低噪声放大器。最后围绕着低功耗、噪声和线性度特性进行了分析与优化。在低功耗的约束下，在主要影响低噪声放大器噪声系数的第一级，即输入级通过确定晶体管最佳跨导以实现噪声系数的优化；在主要影响低噪声放大器线性度特性的后级，即输出级采用PMOS晶体管非线性补偿技术以实现线性度的优化。最终很好的解决了噪声系数、功耗以及线性度三者之间相互制约的矛盾。br　　本文采用TSMC0.18μmCMOS工艺模型，通过ADS2008设计与仿真，并与经典折叠共源共栅结构低噪声放大器的仿真结果进行对比分析，实验结果表明：按照本文所设计的方法，该低噪声放大器具有低功耗、低的噪声系数和高线性度，其噪声和线性度的优化结果与理论十分吻合，该LNA在0.9V的工作电压下，满足输入，输出阻抗匹配的同时，其增益为17.31dB，噪声系数1.19dB，输入三阶交调点IIP3为9.35dBm，功耗仅6.8mW，且在中心频率1.9GHz处的工作频带内具有很好的稳定性。因此，该低噪声放大器可以应用于中心频率在1.9GHz的DECT无线接入系统中。3.期刊论文何小威.李晋文.张民选.HEXiao-wei.LIJin-wen.ZHANGMin-xuan1.5-6GHz增益和噪声系数稳定的两级超宽带CMOS低噪声放大器设计与性能模拟-电子学报2010,38(7)针对UWB应用设计实现了一个1.5-6GHz的两级CMOS低噪声放大器(LNA).通过引入共栅(CG)和共源(CS)结构以获得宽范围内的输入匹配,采用电流镜和峰化电感进行电流复用,所提出的LNA实现了非常平坦化的功率增益和噪声系数(NF).经标准0.18μmCMOS工艺实现后,版图后模拟结果表明在1.5-5GHz频率范围内功率增益(S21)为11.45±0.05dB,在2-6GHz频率范围内噪声系数(NF)为5.15±0.05dB,输入损耗(S11)小于-18dB.在5GHz时,模拟得到的三阶交调点(IIP3)为-7dBm,1dB压缩点为-5dBm.在1.8V电源电压下,LNA消耗6mA的电流,版图实现面积仅为0.62mm2.4.期刊论文严蘋蘋.陈继新.洪伟.YanPinpin.ChenJixin.HongWei毫米波单片低噪声放大器的研制-东南大学学报（自然科学版）2010,40(3)采用OMMIC0.18μmGaAspHEMT工艺,研制了两级和三级2种毫米波单片低噪声放大器.以最小噪声度量为设计依据,通过适当提高偏置电流的方法改善毫米波频段的增益,使得放大器在保持噪声系数较小的同时获得较高的增益.两级低噪声放大器采用串联负反馈结合并联负反馈的结构,可以获得比较平坦的增益;三级低噪声放大器采用三级相似的串联负反馈结构级联,可以紧凑结构、在相同的芯片尺寸下获得较高的增益,2种低噪声放大器芯片的尺寸均为1.5mm×1.0mm.测试结果表明,在28～40GHz频段内,两级低噪声放大器增益最大为15.4dB、噪声系数最小为3.2dB;三级低噪声放大器增益最大为24.8dB、噪声系数最小为2.73dB,达到预期目标.5.学位论文李佳基于SiGeHBT的超宽带低噪声放大器的研究与设计2009低噪声放大器(LNA)是很多射频、微波系统的第一级模块，它的性能好坏直接影响整个通信系统的性能。随着无线通信技术的广泛应用，数据传输速率越来越大，要求频带越来越宽，因此超宽带技术(UWB)应运而生。本论文研究的重点是超宽带低噪声放大器的设计，论文从器件的选取、工作点的选择、电路结构的设计等方面探讨了宽带低噪声放大器的设计方法，并给出了三款放大器的设计实例。本文首先提出了一款3-10GHz单级UWBLNA并进行了设计。选用高频低噪声的SiGeHBT作为有源器件，为了便于实现，选用简单易行的电阻负反馈结构设计LNA。同时采用发射极串联负反馈和集电极并联负反馈，使LNA达到高增益、低噪声系数以及良好的输入输出匹配。仿真结果表明，在工作频带内，LNA的单级增益S21达到11.8dB，增益平坦度小于2dB，噪声系数小于4dB，S11和S22分别小于－5dB和-10dB，且放大器无条件稳定。单级LNA基本达到实际应用的性能指标。为了使LNA达到更好的性能，接下来设计了一款两级SiGeHBTsUWBLNA。为了达到高增益，LNA采用两级级联结构。同时，采用了加有电感、电容的多重并联和串联反馈技术保证电路实现良好的输入输出匹配以及增益平坦度。此外，通过分析集电极偏置电流和最小噪声系数的关系，选择合适的工作点以实现低噪声系数。仿真结果表明，在3-10GH范围内，S21高达21dB，增益平坦度小于1.5dB，噪声系数小于4dB，S11和S22在整个频带内均小于-9dB，且放大器无条件稳定。LNA性能良好。达林顿结构容易实现高增益，因此为了进一步改善LNA宽带增益，将两级LNA电路中的第二级晶体管用达林顿对代替。同时优化电路的工作状态，适当改变反馈支路的结构，在取得高增益的前提下保证其它性能良好。仿真结果表明，S21在整个频带内提高了3dB，S11和S22均小于-12dB，噪声系数小于5dB。LNA性能得到进一步改善。6.期刊论文李芹.王志功.熊明珍.夏春晓.LIQin.WANGZhigong.XIONGMingzheng.XiaChunxiaoX波段宽带单片低噪声放大器-固体电子学研究与进展2005,25(2)从获取放大器的等噪声系数圆最大半径的角度来进行电路设计,设计了工作于X波段9～14GHz的宽带低噪声单片放大器,采用法国OMMIC公司的0.2μmGaAsPHEMT工艺(fT＝60GHz)研制了芯片.在片测试结果为:在9～14GHz,噪声系数＜2.5dB,最小噪声系数在10.4GHz为2.0dB,功率增益在所需频段9～14GHz大于21dB,输入回波损耗＜-10dB,输出回波损耗＜-6dB.在11.5GHz,输出1dB压缩点功率为19dBm.7.学位论文汪言海用于直播卫星接收的3.4-4.2GHz低噪声放大器设计20091993年12月，美国休斯公司发射了世界第一颗数字压缩电视直播卫星，卫星第一次真正有可能直接面向个人用户开展业务。由于带有加密技术，有条件接收和付费收看成为可能，此后卫星数字电视直播产业就在全球形成一股发展热潮。目前已有北美洲、南美洲、欧洲、亚洲、大洋洲、非洲的30多个国家和地区开展了卫星直播业务，其中美国、英国和日本是目前直播卫星业务开展得最好的国家。直播卫星业务不仅在这些地区产生了巨大的经济效益，推动了相关技术和产业的快速发展，也有力的促进了行业竞争。br　　放大器是最常见的射频(RF)电路之一。然而作为直播卫星电视的地面接收RF设备LNB(低噪声变频器)中最前级的放大电路，在功率放大的基础上一定要保证放大器本身的最小化噪声系数，强的是为了保证接收微弱信号的能力(即更高的灵敏度)，由此提出了LNA(低噪声放大器)的电路概念。LNA一般是通过选用具有极低噪声系数的器件组成一级或二级低噪声放大再加一级功率驱动共同组成的放大电路。br　　论文研究的主要内容及创新之处：br　　本文首先介绍了卫星直播电视的形式和特点，以及国内外卫星直播电视发展的过程和现状，从而引伸出用于接收卫星直播电视信号的室外单元LNB；然后重点分析和阐述了LNB中核心电路LNA的基本电路特性，说明了LNA电路设计的理论依据和设计方法；最后完成了用于接收C波段直播卫星电视信号的LNA设计过程。此设计的创新在于设计的LNA频带是扩展的全频带800MHz(3.4-4.2GHz)，且LNA电路在满足超低噪声系数(0.6dB)的同时保证了电路的稳定性。在噪声系数和增益设计中介绍了如何使用等噪声系数圆和等功率增益圆的联合设计以满足增益和噪声系数的指标，同时也介绍了如何通过添加负反馈增加电路的稳定性。所有的设计过程都是使用最流行的RF&MW设计软件ADS仿真优化完成的，同时给出了设计的LNA电路在实际LNB中的应用PCB图，从而完成了从理论设计到实际应用的过程。8.期刊论文韩洁.王向东.HanJi.WangXiangdong测量低噪声放大器的噪声系数-国外电子测量技术2005,24(2)本文介绍了用噪声系数分析仪测量低噪声放大器的噪声系数的方法和原理.以AgilentN8975A噪声系数分析仪的使用为例,分析了Y系数法测量噪声系数的原理,和低噪声放大器测量的步骤与特殊性.9.期刊论文李江涛.周平.LIJiangtao.ZHOUPing无线应用CMOS低噪声放大器的设计-微电子学2008,38(2)基于射频CMOS集成电路技术,设计出用于无线通信系统的CMOS低噪声放大器.对影响其增益、噪声系数的阻抗匹配进行了分析.采用TSMC的0.35μm射频工艺库,在ADS仿真平台上对低噪声放大器电路进行了仿真.其中,低噪声放大器设计成差分结构,提供了13dB增益、-10dBmIIP3、-13dBmP1dB、1.9dB的噪声系数和55mW的功耗.10.学位论文臧威一种CMOS射频低噪声放大器的设计2008随着无线通信技术和CMOS工艺的不断发展，采用CMOS工艺实现射频集成电路能够做到低成本、低功耗、高集成度的要求，本文将采用CMOS工艺对无线射频前端电路中的一个重要模块一低噪声放大器进行设计，设计要求低噪声放大器应当具有低噪声、低功耗、阻抗匹配、高线性度的特点。由于CMOS无源器件极大地影响着射频集成电路的性能，本文首先讨论了在TSMC0.18μmCMOS工艺下的无源器件，同时本文基于MOSFET的噪声源及短沟道器件的物理