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低电压低功耗CMOS射频低噪声放大器设计

作　者: 曹克
导　师: 汪蕙
学　校: 清华大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 低噪声放大器模型噪声线性封装
分类号: TN722
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

随着无线通信和CMOS工艺的发展,采用CMOS工艺实现射频通信电路和系统成为合理的选择。这样的混合信号系统要求前端电路能够在低电压下工作。同时,现代射频通信前端尤其是LNA必须具有低噪声、高线性,在低功耗的条件下实现这些要求是实现射频通信系统关键技术之一。本论文研究了低电压、低功耗CMOS低噪声放大器(LNA)的设计,包括以下内容:1.对短沟道MOSFET电路仿真模型在特定运用状态下(强反型饱和区)进行简化,提出了一个简化设计模型以及通过电路仿真和数据拟合提取模型参数的方法。用这个方法可以推出MOSFET的大信号、小信号和噪声模型,用来分析预测电感源极负反馈LNA的增益、噪声、线性度和功耗,减少设计迭代次数。2.分析了0.18微米工艺下MOSFET中各种噪声对于电感源极负反馈LNA噪声系数的影响,得到了计算噪声系数的解析式,并由此得出结论,由于寄生电容的作用,LNA的噪声系数依然主要决定于沟道热噪声电流;因此适当设计输入跨导级MOSFET的尺寸,可以实现低功耗低噪声。设计了一个低电压的折叠结构电感源极负反馈共源共栅LNA,仿真验证了上述结论。3.应用级数展开的方法分析了电感源极负反馈LNA的非线性,得到了LNA线性度和功耗关于栅源偏置电压和MOSFET尺寸的解析表达式。为了获得高的线性度,有必要采取补偿的办法。比较了各种非线性补偿方法,提出了一种低电压的用线性区MOSFET补偿来提高线性度的折叠型电感源极负反馈共源共栅LNA,给出了该电路的设计原则。流片测试结果证明了采用这种按照这个原则设计的补偿结构电路能够以较小的功耗代价将输入三阶交截点功率提高约5dB。4.解析分析了封装寄生效应对源极电感负反馈LNA各项性能的影响。指出在给定封装寄生参数的条件下,为了保证LNA输入端阻抗严格匹配以及高增益、低噪声,应当适当加大输入级MOSFET的栅源之间的电容。比较了两种加大电容的方法,指出适当加大MOSFET沟道长度的方法优于添加附加并联电容的方法。仿真验证了上述结论。

全文目录

第1章引言  10-24
  1.1 课题的意义  10-11
  1.2 CMOS 射频LNA 研究进展  11-20
    1.2.1 CMOS 放大器  11-12
    1.2.2 电感源极负反馈LNA 及其噪声优化方法  12-14
    1.2.3 低电压CMOS LNA  14-16
    1.2.4 高线性CMOS LNA  16-19
    1.2.5 寄生参数  19-20
    1.2.6 发展趋势  20
  1.3 本文的主要工作和贡献  20-22
  1.4 论文各部分的安排  22-24
第2章 MOSFET 器件的简化设计模型  24-42
  2.1 提要  24
  2.2 深亚微米MOSFET 器件物理  24-31
    2.2.1 一阶MOSFET 器件模型简述  25-27
    2.2.2 载流子迁移率的变化  27-28
    2.2.3 速度饱和效应  28-29
    2.2.4 沟道的分布参数效应  29-31
  2.3 简化的MOSFET 大信号和小信号模型  31-34
    2.3.1 深亚微米MOSFET 大信号模型  31
    2.3.2 深亚微米MOSFET 射频小信号模型  31-34
  2.4 简化的MOSFET 噪声模型  34-38
    2.4.1 MOSFET 沟道热噪声电流  34-36
    2.4.2 MOSFET 栅极感应热噪声电流  36-37
    2.4.3 小结  37-38
  2.5 设计模型参数的提取  38-41
    2.5.1 参数提取的步骤  38-39
    2.5.2 模型验证  39-41
  2.6 本章小结  41-42
第3章 CMOS LNA 的噪声及功耗优化设计  42-67
  3.1 提要  42-43
  3.2 一般LNA 的分析  43-47
    3.2.1 二端口网络的噪声  43-44
    3.2.2 几种LNA 结构性能比较  44-47
  3.3 源极电感负反馈LNA 设计  47-52
    3.3.1 电路结构  47-49
    3.3.2 电路噪声性能分析  49-52
  3.4 解析计算和仿真验证  52-59
    3.4.1 电路结构  52-53
    3.4.2 结果分析对比  53-59
  3.5 沟道电容与栅源电容  59-62
  3.6 迁移率模型参数的影响  62-64
  3.7 速度饱和与热载流子效应的影响  64-66
  3.8 本章小结  66-67
第4章 CMOS LNA 的非线性及线性化  67-100
  4.1 提要  67
  4.2 对接收机线性度的要求  67-69
  4.3 CMOS LNA 的非线性分析  69-83
    4.3.1 幂级数分析  69-74
    4.3.2 Volterra 级数分析  74-83
  4.4 非线性补偿方法比较  83-87
  4.5 低电压非线性补偿LNA 电路  87-99
    4.5.1 补偿电路分析  87-90
    4.5.2 电路和验证方法描述  90-91
    4.5.3 仿真结果  91-94
    4.5.4 流片测试结果  94-99
  4.6 本章小结  99-100
第5章考虑寄生效应的 CMOS LNA 设计  100-113
  5.1 提要  100-101
  5.2 寄生效应模型  101-105
    5.2.1 焊盘寄生参数  101-102
    5.2.2 ESD 保护电路的寄生参数  102-103
    5.2.3 封装寄生参数  103-105
  5.3 寄生效应对LNA 性能的影响  105-108
  5.4 给定寄生参数下LNA 的设计  108-110
    5.4.1 考虑功耗的优化  108-109
    5.4.2 两种方法的比较  109-110
  5.5 仿真验证结果  110-112
  5.6 本章小结  112-113
第6章工作总结及建议  113-115
参考文献  115-124
致谢  124
声明  124-125
附录A 第3.3 节中噪声系数表达式的推导  125-131
附录B 第5.3 节中阻抗变换关系式的推导  131-134
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  134

低电压低功耗CMOS射频低噪声放大器设计

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