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CMOS工艺的低电压低噪声放大器研究

作　者: 刘宝宏
导　师: 毛军发
学　校: 上海交通大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: CMOS射频集成电路低噪声放大器低电压 cascode结构多级级联结构 K波段射频前端
分类号: TN432
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着无线通信技术的发展,高集成、小型化和低功耗成为了无线通信的重要特征。高集成和小型化的一个重要发展方向是将所有的集成电路高度集成到单个封装系统中从而减少外围电路和元器件实现小型化;而高度集成的封装系统,其中电能将转化成热能从而成为影响系统性能潜在风险,能耗问题成为了整个系统集成的关键问题。CMOS工艺的射频芯片由于工艺廉价和高集成度的特点在封装系统中占据有重要地位。对于封装系统中器件而言,其功耗和其供电电压成平方关系,故降低器件的工作电压是降低器件功耗的有效手段之一。同时,对于一些可植入式医疗器件、无线传感器网络、无线遥测网络等通常采用小的电池或环境的能量来供电,在这种情况下需要保证整个器件或无线系统能够在低电压下工作。然而,对于这些系统中核心部分射频前端而言,低工作电压将导致系统的性能变差甚至无法正常工作,因此如何在低工作电压的情况下保证电路的性能成为集成电路设计挑战工作。另一方面,个人无线通信技术的发展使人们对无线传输的速率和带宽提出了更高的要求,而传统的低频段(3 GHz以下)由于日益拥挤无法满足速率发展的要求,传输速率和带宽已经成为制约无线技术发展的关键问题。这种日益拥挤的低频段频率资源和人们对传输速率和带宽要求的矛盾促进了无线通信载波频率正在向更高频率发展。本文的研究工作主要针对封装系统中CMOS工艺射频电路的低电压和高频电路设计这两个方面来进行的。首先,第二章研究了cascode低噪声放大器的低电压低功耗技术。Cascode结构由于具有良好的反向隔离在低噪声放大器中得到了广泛的应用,但是由于cascode结构MOS管的排列特点,该结构难以实现低电压下工作;同时,其工作电流和射频性能密切相关,工作电流的降低将导致其性能变差。为克服cascode结构的这些缺点,文中通过采用直流电流分离和正向体偏置技术来实现工作电压降低和工作电流减少,进而实现总功耗降低。文中详细研究了这种低电压电路结构的电路设计并通过实验验证了其有效性,实验结果表明,本章设计的低电压cascode放大器可以在0.5 V电压下工作,总功耗只有传统cascode低噪声放大器的30%左右,而二者射频性能相当。对于低噪声放大器而言,另外一种广泛应用的结构是多级级联结构。由于多级级联低噪声放大器通常由多个单级放大器构成,在本文的第三章首先分析了单级低噪声放大器的噪声、增益与工作频率的关系,为后续的多级电路设计提供理论指导。对于单级放大器而言,其场效应管的栅漏电容构成了信号的反馈通道,该反馈将对电路的匹配和增益产生影响。文中理论分析了栅漏电容对单级放大器的特性影响,并将分析的结论应用到多级低噪声放大器的分析和设计中。利用分析的结论和正向体偏置技术,文中设计了0.5 V X波段低噪声放大器来验证分析的结果,测试结果表明,该低电压低噪声放大器在射频性能相当的条件下,功耗得到了大幅度降低。为进一步降低多级放大器的功耗,文中研究了电流复用和正向体偏置混合使用技术,通过对电路分析,合理设置其工作偏置电压能够实现功耗进一步降低,并通过具体的应用电路验证了分析、设计结果。由于CMOS工艺的衬底相对与其他工艺的低电阻率和低特征频率,当工作频率上升到K波段时,传统几吉赫兹(GHz)CMOS电路设计方法面临着困境, CMOS工艺高频电路的设计是一个难点。文中第四章分析和研究了CMOS工艺K波段(21 GHz)低电压低噪声放大器的优化偏置和提高增益的技术。通过优化偏置电压,避免了传统高线性度偏置电压的增益低和工作电压范围窄的缺点;通过第一级电路采用弱负反馈技术实现在不增加功耗的前提下提高增益。实验结果验证了这些设计方法的有效性。K波段高集成度的CMOS单芯片收发系统在片上无线互连、汽车雷达等领域具有广泛应用前景,而高集成度的单芯片收发系统要求其中的各个子系统具有低功耗的特性。文章的最后一部分研究了低功耗24 GHz接收机射频前端系统,首先分析了整个系统架构和性能,详细的分析了降低模块电路工作电流策略和模块电路构建,并最终仿真整个射频前端系统,仿真结果表明整个系统相对于已经发表的同类工作,射频性能相当而功耗更低。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-15
第一章绪论  15-31
  1.1 研究背景  15-17
  1.2 国内外研究现状  17-24
    1.2.1. 低电压低噪声放大器的研究现状  17-22
    1.2.2 K 波段低噪声放大器和射频前端的研究现状  22-24
  1.3 本文的研究目标和主要内容  24-26
  参考文献  26-31
第二章 cascode 低噪声放大器的低电压低功耗研究  31-61
  2.1 引言  31
  2.2 传统cascode 结构的局限性  31-36
    2.2.1 工作电压的局限  32-33
    2.2.2 工作电流的影响因素  33-35
    2.2.3 工作频率对增益影响  35-36
  2.3 直流分离技术的 cascode 低噪声放大器  36-43
    2.3.1 射频和直流特性  37-39
    2.3.2 功耗降低  39
    2.3.3 功耗降低对射频性能的影响  39-43
  2.4 正向体偏置技术的直流分离cascode 低噪声放大器  43-47
    2.4.1. 正向体偏置技术  43-45
    2.4.2. 采用正向体偏置的直流分离 cascode 低噪声放大器  45-47
  2.5 正向体偏置的直流分离 cascode 低噪声放大器设计  47-51
    2.5.1. 输入端匹配电路设计  47-49
    2.5.2. 级间匹配电路设计  49-51
  2.6 直流分离cascode低噪声放大器的实验验证  51-58
    2.6.1. 直流分离技术的 cascode 低噪声放大器性能  52-54
    2.6.2. 正向体偏置的直流分离 cascode 低噪声放大器性能  54-56
    2.6.3. 实验结果的讨论  56-58
  2.7 本章小结  58-59
  参考文献  59-61
第三章多级结构低噪声放大器的低电压低功耗研究  61-93
  3.1 引言  61
  3.2 单级放大器的分析  61-71
    3.2.1 共源结构和共栅结构放大器的特性  62-64
    3.2.2 栅漏电容对共源放大器输入和跨导影响  64-70
    3.2.3 栅漏电容对共栅放大器输入和跨导影响  70-71
  3.3 两级共源放大器的低电压设计  71-83
    3.3.1. 两级共源放大器的设计  72-77
    3.3.2. 两级共源放大器的低电压设计  77-79
    3.3.3. 0.5 V X 波段两级共源低噪声放大器的设计及测试结果  79-83
  3.4 电流复用的两级低电压低噪声放大器  83-90
    3.4.1. 电流复用低电压放大器的分析  84-87
    3.4.2. 电流复用低电压放大器的电路设计及仿真  87-90
  3.5 本章小结  90
  参考文献  90-93
第四章 K 波段低电压低噪声放大器研究  93-117
  4.1 引言  93
  4.2 CMOS 工艺K 波段低噪声放大器设计面临的挑战  93-99
    4.2.1 互连线寄生参数  94-96
    4.2.2 NMOS 管的特征频率  96
    4.2.3 射频性能  96-99
  4.3 提高线性度的栅极偏置电压优化  99-103
    4.3.1 低电压电路结构选择  99-100
    4.3.2 优化栅极偏置电压  100-103
  4.4 提高增益的输入端栅极电阻匹配技术  103-109
    4.4.1 传统的源极负反馈放大器  103-104
    4.4.2 弱源极负反馈的共源放大器电路  104-107
    4.4.3 增益转换  107-109
  4.5 K 波段低噪声放大器的版图设计和实验  109-114
    4.5.1 版图设计  109-111
    4.5.2 测试结果  111-114
  4.6 本章小结  114
  参考文献  114-117
第五章低功耗24 GHz 射频前端系统设计  117-143
  5.1 引言  117-118
  5.2 射频前端的系统架构和性能  118-123
    5.2.1. 前端系统的架构  118-121
    5.2.2. 系统的性能  121-123
  5.3 系统模块电路的设计  123-133
    5.3.1. 低噪声放大器的设计  123-126
    5.3.2. 混频器的设计  126-131
    5.3.3. 中频放大器的设计  131-133
  5.4 系统电路仿真  133-140
    5.4.1. 变频增益  133-135
    5.4.2. 噪声系数和输入输出端口反射特性  135-136
    5.4.3. 各个端口隔离度  136-138
    5.4.4. 线性度  138-139
    5.4.5. 总体性能和讨论  139-140
  5.6 本章小结  140-141
  参考文献  141-143
第六章总结与展望  143-147
  6.1 主要工作  143-144
  6.2 进一步工作展望  144-147
致谢  147-149
攻读博士学位期间发表和撰写的学术论文  149

CMOS工艺的低电压低噪声放大器研究

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