24g射频低噪声放大器毕业设计论文

24g射频低噪声放大器毕业设计论文内容摘要：

的噪声表达式，得出减小噪声的一般方法， 说明了 最简单的噪声匹配理论。 在这一章节中，也 说明 了 LNA 的线性度计算方法。 第三章首先介绍了 LNA 的设计指标。 在原有的设计技术上， 进 一步推导出了噪声、输入同时 匹配的设计技术，进而推导出本文 的 LNA 设计理念。 在低噪声放大器的设计中，噪声的设计最为重要，而晶体管的宽长比 (W/L)是决定电路噪声系数的最要因数，而静态工作点则主要影响到电路的功耗。 在 LNA 拓扑结构的分析中，得出了一系列的设计方程，使用 Matlab 工具，则可以从仿真图中得出了最佳的宽长比 (W/L)。 本章中也 简单说明 了 一种 恒跨导 的偏置电路设计。 第四章，利用前面三章 介绍 的设计方法设计出了两个电路，一个是 差分电路 ，一个是 单端 电路 ，并对这两个电路进行了比较。 其中，在 单端 电路中进行了高线性度的设计，并通过了电路 级仿真、版图设计、版图提取、版图电路一致性检查 和后模拟。 南京邮电大学 2020 届本科生毕业设计 4 第二章 射频电路噪声理论和线性度分析 评价一个射频系统的性能优劣时，两个很重要的指标是噪声系数和非线性失真。 在本章中，将会以大量的篇幅来论述经典的噪声理论基础。 噪声理论 低噪声放大器位于接收通道的第一级，它的噪声特性将大大影响整个系统的噪声特性。 噪声是低噪声放大器设计中的主要考虑因素，这也是低噪声放大器一词的由来。 另外，从总体上来说， CMOS 器件的噪声特性比双极型器件 (Bipolar)或 GaAs 器件的噪声特性差，因此，对于 CMOS 低噪 声放大器的设计，噪声性能的优化更是设计的重点和难点。 为了进一步优化低噪声放大器的噪声系数，有必要深刻理解各元件的噪声产生机理，并精确的模拟电路中各元件产生的噪声，估计系统的输出端噪声，这对电路的设计也是十分重要的。 目前，随着先进的亚微米 CMOS 工艺应用于射频芯片设计， MOSFET 的高频噪声模型显的更为重要，对亚微米 MOSFET 的高频噪声进行建模也是近年来的一个研究热点，因此本文对 RFIC 中 MOS 管的高频噪声模型的并结合本文所采用的工艺进行分析总结。 本章的第一节介绍噪声的基础理论 ； 第二节则重点讨论 MOSFET 的高频噪声。 第三章主要论述线性度的基本理论。 噪声的表示方法 噪声是一种随机变量，它来源于射频系统中的各元器件。 对于随机过程，不可能用某一确定的时间函数来描述。 但是，它却遵循某一确定的统计规律，可以利用其木身的概率分布特点来充分地描述它的特性。 一般采用噪声电压或噪声电流的平均值、方差、功率普密度来描述。 有噪系统的噪声性能可用噪声系数的大小来衡量。 噪声系数定义为系统输入信噪功率比 ? ? iii NPSNR /? 与输出信噪功率比 ? ? ooo NPSNR /? 的比值： ? ?? ?ooiioi NP NPSNRSNRF ??? 输出端的信噪比输入端的信噪比 () 噪声系数常用分贝数表示 ： FNP NPNF oo ii lg10lg10 ?? () 可以看出，噪声系数表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。 如果系统是无噪的，不管系统的增益多大，输入的信号的噪声都同样被放大，而南京邮电大学 2020 届本科生毕业设计 5 没有添加任何噪声，因此输入输出的信噪比相等，相应的噪声系数为 1。 有噪系统的噪声系数均大于 1。 本文研究的 器件噪声类型 在射频集成电 路的设计中使用到的电子器件有电阻、电感、电容、晶体管 (包括双极型晶体管和场效应晶体管 )等。 在这些电子器件中存在的噪声，按照噪声的来源可以分为：热噪声、散射噪声 (shot noise)、闪烁噪声、散弹噪声 (popcorn noise)等。 在本论文研究的范围内主要是考虑电阻的热噪声和 MOS 管的漏端沟道噪声和栅极耦合噪声。 热噪声 R ( 有 噪 )R ( 无 噪 )R ( 无 噪 )2nD2nI 图 21 电阻的热噪声及其等效电路 热噪声是导体中电荷载流子 (电子、空穴 )无序热运动所产生的噪声。 由于几 乎没有绝对零度的环境，因而导体中的热噪声无法避免。 这种噪声最早是 Johnson 于 1928 年由实验观察得到，其后 Nyquist 又从理论角度进行了定量的分析。 计算一个有噪电阻在频带宽度为 B 的线性网络内的噪声时，可以看作是阻值为 R 的理想无噪电阻与一有噪声电流源并联，或阻值为 R 的理想无噪电阻与一个噪声电压源串联，如图 21 所示。 根据 Nyquist的定义，噪声均方电压或电流的表达式为 [2]： BRkTIn 142 ? () kTRBDn 42 ? () 式中 k 为波尔兹曼常数， KJk /103 8 23??? ， T 为绝对温度，室温下为 290K， B 为带宽。 当负载与信号源内阻匹配时，负载能够得到噪声的最大输出功率。 若把电阻 R 的热噪声作为噪声源，则当此噪声源的负载与它匹配时，它所能输出的最大噪声功率，或者它的额定功率为： kTBNA ? () 南京邮电大学 2020 届本科生毕业设计 6 由 式 ()可知，它与电阻本身的大小无关，仅与温度和系统带宽有关。 在集成电路的设计中，各种元器件不可避免的都存在一定的阻抗，因此热噪声是最为普遍存在的一种噪声。 MOS 噪声模型 GSDngi gsv gsC gsm vg ndigg+ 图 22 MOS 管的简化噪声模型 晶体管实际上是一个可控的电阻。 尤其是 MOSFET，在强反型区，表面沟道就是一个电阻，且沟道电流主要是由偏移电流构成。 因而可以推断， MOSFET 的噪声主要是由沟道电组的热噪声形成。 由于栅电容的存在，沟道电阻的分布特性会将 沿沟道方向局部产生的热噪声通过局部栅电容耦合到栅极上去。 尽管产生热噪声的源只有沟道电阻，但其分布特性和与栅电容的耦合，使得用少数几个集总元件在 MOS 模型中表征噪声特性不那么容易。 Van der Ziel 考虑了沟道的分布特性提出了两个噪声源来表征的模型 [1]。 一个是接在漏源之间的电流源，记为 ndi （下标 d 指漏极）；另一个是接在栅源之间的电流源，记为 ngi。 其等效电路如图 22 所示。 漏端噪声电流的值为 BgkTi dnd 02 4 ?? () 其中， 0dg 是 0?dsV 时的共源输出电导， γ 为工艺参数，长沟道器件 γ≈ 2/3，对于短沟器件 γ 在 2~3 之间 [5]。 栅噪声电流的均方值为： BgkTi gng ?42 ? () 0225 dgsg gCg ?? () 式中 δ 为栅噪声系数，约为 4/3。 由式 ()、 ()可以知道，栅噪声电流与晶体管的栅源电容和工作频率都是二次方 成 正比关系。 栅噪声电流是通过栅源电容 Cgs 产生的一种非南京邮电大学 2020 届本科生毕业设计 7 准静态效应引入得栅噪声，所以式 () 与式 ()具有一定的相关性，通常用相关系数 “ c”来表示。 在有关 MOS 噪声的讨论中，只需考虑沟道热噪声和栅漏之间的耦合噪声。 在研究MOS 管的噪声时，可以忽略其它噪声的影响。 实际上， MOS 晶体管的栅寄生电阻的热噪声、衬底寄生阻抗引入的热噪声以及沟道热噪声通过背栅调剂而引入的衬底噪声，都是不可 忽略的，它们对放大器的噪声性能具有很大的影响。 图 23 为考虑栅阻噪声和衬底噪声的 MOS 管噪声模型。 GSDngibsmb vggsC gsm vg ndiGRGi or SU Bi SU BR bsV 图 23 考虑栅热噪声和衬底噪声的 MOS噪声模型 [1] 两端口网络噪声理论 对于一个含有噪声的二端口网络，将噪声用一个和信号源串联的噪声电压源和一个并联的噪声电流源表示，从而将该网络看作无噪声网络。 二端口网络由一个导纳为 sY 及等效的并联噪声电流源 2ni 构成的噪声源驱动。 见图 24 所示 [1,2]。 含 有 噪 声 的二 端 口 网 络Y ssi含 有 噪 声 的二 端 口 网 络Y ssi nvni( a )( b ) 图 24 有噪两端口网络和它的等效表示形式 合理假设噪声源和二端口网络的噪声功率不相关，可知噪声系数的表达式为 （推导过程可以参考附录 A） ： 南京邮电大学 2020 届本科生毕业设计 8 222snsnsivYiiF ???? () 考虑 nv 和 ni 之间可能的相关情形，把 ni 表示成 ci 和 ui 两个分量之和。 ci 与 nv 相关， ui 不相关，设 ncc vYi ?? ，可得： ? ? ? ?222221sncsusncsusivYYiivYYiiF ?????????? () 公式 ()包括了三个独立的噪声源，每个都可以看成是一个等效电阻或电导产生的热噪声： kTBvR nn 42? () kTBiG uu 42? () kTBiG ss 42?。