【正文】 摘要 近年來(lái)，以電池作為電源的電子產(chǎn)品得到廣泛使用，迫切要求采用低電壓的模擬電路來(lái)降低功耗，所以低電壓、低功耗模擬電路設(shè)計(jì)技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)。本文主要討論電感負(fù)反饋cascodeCMOSLNA（共源共柵低噪聲放大器）的噪聲優(yōu)化技術(shù)，同時(shí)也分析了噪聲和輸入同時(shí)匹配的SNIM技術(shù)。關(guān)鍵字：低噪聲放大器；噪聲系數(shù)；低電壓、低功耗；共源共柵；噪聲匹配 RF LNA Abstract:In recent years, electronics with battery supply are widely used, which cries for adopting low voltage analog circuits to reduce power consumption, so low voltage, low power analog circuit design techniques are being research hotspot. This paper mainly discusses noise figure optimization techniques for inductively degenerated cascode CMOS lownoise amplifiers (LNAs) with onchip inductors. And it reviews and analyzes simultaneous noise and input matching techniques (SNIM).Key words：lownoise amplifier (LNA)；noise figure；low voltage low power；cascode； noise matching.1 引言在最近的十多年來(lái)，迅猛發(fā)展的射頻無(wú)線通信技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域中，如：高速語(yǔ)音來(lái)，第3代移動(dòng)通信(3G)、高速無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)、Bluetooth以及利用MPEG標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)無(wú)線視頻圖像傳輸?shù)男l(wèi)星電視服務(wù)等技術(shù)是日新月異，無(wú)線通訊技術(shù)得到了飛速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2010年，無(wú)線通信用戶將達(dá)到10億人[1]，并超過(guò)有線通信用戶。這種潛在的市場(chǎng)造成了對(duì)射頻集成電路的巨大需求。原來(lái)的混合電路由于不能滿足低成本、低功耗和高集成度的要求，而必然要被集成度越來(lái)越高的集成電路所取代，并最終形成單片射頻收發(fā)機(jī)芯片。典型的射頻收發(fā)設(shè)備除了對(duì)功耗、速度、成品率等性能的要求外，還要考慮噪聲、線性范圍、增益等指標(biāo)。在硅CMOS， BiCMOS、雙極工藝、GaAs MESFET，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)，GeSi器件等眾多工藝中，雖然硅CMOS的高頻性能和噪聲性能不是最好的，但是由于它的工藝最為成熟、成本最低、功耗最小、應(yīng)用也最為廣泛，且隨著工藝水平的不斷提高，硅CMOS的頻率特性和噪聲特性正在逐漸得到了改善。重要的是，只有采用硅CMOS工藝才能最終實(shí)現(xiàn)單片集成。因此，CMOS射頻集成電路是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。近幾十年來(lái)，世界各國(guó)的研究人員在CMOS射頻集成電路的設(shè)計(jì)和制作方面進(jìn)行了大量的研究和探索，使CMOS射頻集成電路的性能不斷得以改善。樂(lè)觀的估計(jì)，在最近幾年里，CMOS射頻集成電路將徹底改變無(wú)線通信的面貌。射頻接收機(jī)通常有四種結(jié)構(gòu)：超外差結(jié)構(gòu)、直接變頻結(jié)構(gòu)、寬中頻變頻結(jié)構(gòu)、和低中頻變頻結(jié)構(gòu)。這四種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，接收機(jī)的結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)指標(biāo)決定，包括系統(tǒng)工作頻率、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、功耗和集成度等。圖11所示為超外差接收機(jī)的系統(tǒng)框圖。這是較為常用的射頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)。一個(gè)完整的射頻收發(fā)系統(tǒng)包括RF前端和基帶處理部分，RF前端又稱作接收器，它決定著整個(gè)系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)，如誤碼率、發(fā)射功率、信道的抗干擾能力等。而低噪聲放大器(LNA)是RF前端的最前端，它直接感應(yīng)天線接收到的微弱 信號(hào)，并對(duì)其放大，然后傳遞給后級(jí)進(jìn)行處理，是整個(gè)接收通道最為關(guān)鍵的模塊之一。因此， LAN在功耗限制和低電壓條件下獲得低噪聲、高線性度的方法。圖11 超外差接收機(jī)的系統(tǒng)框圖[2]2研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題近年來(lái)，射頻集成電路(RF IC)的應(yīng)用和研究得到了飛速的發(fā)展，CMOS射頻集成電路的研究更是成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。低噪聲放大器是射頻接收機(jī)中的一個(gè)關(guān)鍵，它位于接收機(jī)系統(tǒng)的第一級(jí)，決定著接收機(jī)系統(tǒng)的整體噪聲系數(shù)。在CMOS射頻接收前端，低噪聲放大器大約占前端功耗的一半左右，由于低功耗和低噪聲是一對(duì)矛盾，在設(shè)計(jì)時(shí)需要權(quán)衡考慮[3]?，F(xiàn)在幾個(gè)應(yīng)用比較多的無(wú)線頻段有歐洲433MHz的ISM 段，應(yīng)用于手機(jī)GSM ，應(yīng)用于藍(lán)牙(Bluetooth)，這些頻率都可以用目前的CMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前已有相應(yīng)的少量產(chǎn)品問(wèn)世。由于CMOS射頻集成電路是一門比較新的研究領(lǐng)域，國(guó)外也是剛剛起步，這對(duì)國(guó)內(nèi)的集成電路行業(yè)是一個(gè)很好的發(fā)展契機(jī)。 但是，目前仍然有許多問(wèn)題需要研究和解決，尤其是射頻MOS管的建模問(wèn)題以及高性能電感的實(shí)現(xiàn)。一方面是MOS管、片上電感、電容、襯底的寄生參數(shù)的提取問(wèn)題，另一方面是這些參數(shù)隨偏置條件和特征尺寸的縮小而變化的問(wèn)題。對(duì)這些問(wèn)題的研究和解決，將極大地降低射頻集成電路的設(shè)計(jì)難度。 電感和電容是射頻集成電路中必不可少的部分，雖然它們已經(jīng)可以在片上集成，但是目前它們和片外的分立電容、電感相比還有很大的差距，還不能完全滿足射頻電路的需要。CMOS射頻集成電路面臨的主要問(wèn)題就是無(wú)法得到高品質(zhì)因數(shù)(Q)的無(wú)源器件。片上電感Q值與電感面積成比例關(guān)系，在面積受限的情況下，大幅提高Q值尚有一定的困難[1,2,4]。在電路實(shí)現(xiàn)方面，一方面需要完善和提高各個(gè)模塊的性能，另一方面，需要研究將整個(gè)前端整合到一個(gè)芯片上時(shí)各個(gè)模塊之間的協(xié)同考慮和襯底的串?dāng)_問(wèn)題。另外，還需要考慮功耗和可測(cè)試性的問(wèn)題存在。隨著特征尺寸的不斷縮小，MOS晶體管的截止頻率得到了提高，從而可以較為容易地實(shí)現(xiàn)較高工作頻率的射頻集成電路和提高、改善LNA電路中的各種指標(biāo)。然而，特征尺寸的縮小卻會(huì)帶來(lái)其他方面的問(wèn)題，例如隨著柵長(zhǎng)的縮小，溝道的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，漏端電流噪聲增大等等[1,2]。這些問(wèn)題都必須認(rèn)真考慮。3射頻電路噪聲理論和線性度分析（） 噪聲理論低噪聲放大器位于接收通道的第一級(jí)，它的噪聲特性將大大影響整個(gè)系統(tǒng)的噪聲特性。噪聲是低噪聲放大器設(shè)計(jì)中的主要考慮因素，這也是低噪聲放大器一詞的由來(lái)。另外，從總體上來(lái)說(shuō)，CMOS器件的噪聲特性比雙極型器件(Bipolar)或GaAs器件的噪聲特性差，因此，對(duì)于CMOS低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，噪聲性能的優(yōu)化更是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為了進(jìn)一步優(yōu)化低噪聲放大器的噪聲系數(shù)，有必要深刻理解各元件的噪聲產(chǎn)生機(jī)理，并精確的模擬電路中各元件產(chǎn)生的噪聲，估計(jì)系統(tǒng)的輸出端噪聲，這對(duì)電路的設(shè)計(jì)也是十分重要的。目前，隨著先進(jìn)的亞微米CMOS工藝應(yīng)用于射頻芯片設(shè)計(jì)，MOSFET的高頻噪聲模型顯的更為重要，對(duì)亞微米MOSFET的高頻噪聲進(jìn)行建模也是近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，因此本文對(duì)RFIC中MOS管的高頻噪聲模型的并結(jié)合本文所采用的工藝進(jìn)行分析總結(jié)。本章的第一節(jié)介紹噪聲的基礎(chǔ)理論；第二節(jié)則重點(diǎn)討論MOSFET的高頻噪聲。第三章主要論述線性度的基本理論。（） 噪聲的表示方法 噪聲是一種隨機(jī)變量，它來(lái)源于射頻系統(tǒng)中的各元器件。對(duì)于隨機(jī)過(guò)程，不可能用某一確定的時(shí)間函數(shù)來(lái)描述。但是，它卻遵循某一確定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可以利用其木身的概率分布特點(diǎn)來(lái)充分地描述它的特性。一般采用噪聲電壓或噪聲電流的平均值、方差、功率普密度來(lái)描述。有噪系統(tǒng)的噪聲性能可用噪聲系數(shù)的大小來(lái)衡量。噪聲系數(shù)定義為系統(tǒng)輸入信噪功率比與輸出信噪功率比的比值： ()噪聲系數(shù)常用分貝數(shù)表示： () 可以看出，噪聲系數(shù)表征了信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)后，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲造成信噪比惡化的程度。如果系統(tǒng)是無(wú)噪的，不管系統(tǒng)的增益多大，輸入的信號(hào)的噪聲都同樣被放大，而沒(méi)有添加任何噪聲，因此輸入輸出的信噪比相等，相應(yīng)的噪聲系數(shù)為1。有噪系統(tǒng)的噪聲系數(shù)均大于1。(2) 本文研究的器件噪聲類型在射頻集成電路的設(shè)計(jì)中使用到的電子器件有電阻、電感、電容、晶體管(包括雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管)等。在這些電子器件中存在的噪聲，按照噪聲的來(lái)源可以分為：熱噪聲、散射噪聲(shot noise)、閃爍噪聲、散彈噪聲(popcorn noise)等。在本論文研究的范圍內(nèi)主要是考慮電阻的熱噪聲和MOS管的漏端溝道噪聲和柵極耦合噪聲。（） 噪聲類型在射頻集成電路的設(shè)計(jì)中使用到的電子器件有電阻、電感、電容、晶體管(包括雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管)等。在這些電子器件中存在的噪聲，按照噪聲的來(lái)源可以分為：熱噪聲、散射噪聲(shot noise)、閃爍噪聲、散彈噪聲(popcorn noise)等。在本論文研究的范圍內(nèi)主要是考慮電阻的熱噪聲和MOS管的漏端溝道噪聲和柵極耦合噪聲。（） 熱噪聲圖21 電阻的熱噪聲及其等效電路熱噪聲是導(dǎo)體中電荷載流子(電子、空穴)無(wú)序熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲。由于幾乎沒(méi)有絕對(duì)零度的環(huán)境，因而導(dǎo)體中的熱噪聲無(wú)法避免。這種噪聲最早是Johnson于1928年由實(shí)驗(yàn)觀察得到，其后Nyquist又從理論角度進(jìn)行了定量的分析。計(jì)算一個(gè)有噪電阻在頻帶寬度為B的線性網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的噪聲時(shí)，可以看作是阻值為R的理想無(wú)噪電阻與一有噪聲電流源并聯(lián)，或阻值為R的理想無(wú)噪電阻與一個(gè)噪聲電壓源串聯(lián)，如圖21所示。根據(jù)Nyquist的定義，噪聲均方電壓或電流的表達(dá)式為[2]： () ()式中k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，室溫下為290K，B為帶寬。當(dāng)負(fù)載與信號(hào)源內(nèi)阻匹配時(shí)，負(fù)載能夠得到噪聲的最大輸出功率。若把電阻R的熱噪聲作為噪聲源，則當(dāng)此噪聲源的負(fù)載與它匹配時(shí)，它所能輸出的最大噪聲功率，或者它的額定功率為： ()由式()可知，它與電阻本身的大小無(wú)關(guān)，僅與溫度和系統(tǒng)帶寬有關(guān)。在集成電路的設(shè)計(jì)中，各種元器件不可避免的都存在一定的阻抗，因此熱噪聲是最為普遍存在的一種噪聲。（） MOS噪聲模型圖22 MOS管的簡(jiǎn)化噪聲模型晶體管實(shí)際上是一個(gè)可控的電阻。尤其是MOSFET，在強(qiáng)反型區(qū)，表面溝道就是一個(gè)電阻，且溝道電流主要是由偏移電流構(gòu)成。因而可以推斷，MOSFET的噪聲主要是由溝道電組的熱噪聲形成。由于柵電容的存在，溝道電阻的分布特性會(huì)將沿溝道方向局部產(chǎn)生的熱噪聲通過(guò)局部柵電容耦合到柵極上去。盡管產(chǎn)生熱噪聲的源只有溝道電阻，但其分布特性和與柵電容的耦合，使得用少數(shù)幾個(gè)集總元件在MOS模型中表征噪聲特性不那么容易。Van der Ziel考慮了溝道的分布特性提出了兩個(gè)噪聲源來(lái)表征的模型[1]。一個(gè)是接在漏源之間的電流源