【正文】 會設(shè)計一個單端電路和一個差分電路。如果低噪聲放大器放大倍數(shù)過大，其輸出信號太大，下一級混頻器就會出現(xiàn)嚴重的失真問題；如果低噪聲放大器的線性度過小，輸入信號過大，低 噪聲放大器就會輸出一個失真的信號。 在本章節(jié)中將會設(shè)計一個參數(shù)設(shè)計靈活的低噪聲差分電路，和一個高線性度的單端低噪聲放大器。電路中使用的電感和電容，占用大量的版圖面積，在設(shè)計的過程中應(yīng)該盡量避免電感電容的使用。如圖 31。由上式可知，阻抗實部由上式最后一項提供。本節(jié)使用的電路結(jié)構(gòu)，如圖 33。在輸入端得到很好的匹配時，圖 35 的噪聲曲線說明了在 ，系統(tǒng)噪聲接近最低噪聲，這說明了在引入兩個輔助管后，差分電路仍然可以實現(xiàn) SNIM（噪聲匹配和輸入匹配同時實現(xiàn)）技術(shù)。在這將會介紹第二種技術(shù)和第三種技術(shù)，即低電壓設(shè)計和高線性度的設(shè)計。而在這，將會使用一種 電路，這種電路可以大大地降低電源電壓。經(jīng)典的共源共柵電路為了保證電路中的晶體管都能工作在飽和區(qū)，電路的電源電壓一般都要設(shè)置在一個比較高的值，這將會增加電路的功耗，隨著工藝技術(shù)和數(shù)字芯片的不斷發(fā)展，要求電路工作在一個很低 17 的電壓之下。在本設(shè)計中使用的電源電壓為 1V。通過實驗證明了偏置電壓的不同，輸出端電流的頻率特性也不一樣。第一條曲線為輸出端電壓的一階頻率項，第二條曲線為三階頻率項，第三條曲線為31aa 。 圖 311 PNMOS 線性度驗證實驗電路截圖 圖 312 PMOS 線性度驗證實驗仿真曲線 從圖 312 中， VDC 是偏置電壓 gsV ，當 VDC= 時 PMOS 的線性度最優(yōu)化。得出的結(jié)果表明，在偏置電壓為 550mV 時，電路的線性度得到了很大的提高，可是由于偏置電壓過低，第一級放大電路的跨導(dǎo)過小，造成電路的總體增益較低。仿真結(jié)果如圖 313 到 316。從 S21 的曲線圖還可以知道，本設(shè)計的電路的帶寬較高， 3dB 帶寬約為300M；在 ，達到 （約 倍）；輸入輸出在 處得到很好的匹配，分別為 和 ；隔離度為。 圖 315 單端電路 1dB 壓縮點（ 即輸入電壓約為 177。雖然 1dBm壓縮點比偏置電壓為 550mV 時低 4dBm。 316mV， 13dBm的輸入電壓范圍約為 177。 LNA 的版圖設(shè)計，要從減小寄生、隔離干擾等方面進行。LVS 通過后，就可以進行電路的后模擬仿真。這是和數(shù)字電路的減小版圖面積一個很重要的區(qū)別。后模擬更能反映我們所設(shè)計的芯片接近現(xiàn)實的特性曲線。后模擬電路仍然保持了很高的增益和良好的匹配。通過版圖設(shè)計，最后的電路中會引入了很多寄生參數(shù)，在電路級的設(shè)計中是無法預(yù)測的。本文的電路電源電壓低，是使用了折疊式的共源共柵電路結(jié)構(gòu)的緣故。另外，在本文中，噪聲匹配和輸入匹配 都做得很好，說明了在本設(shè)計中 SNIM 技術(shù)得到了很好的利用。 并 研究在 功耗限制和 低電壓 條件下低噪聲放大器 獲得高 線性度、低 噪聲的方法。從分析的結(jié)果中推出了 一個能夠?qū)崿F(xiàn)噪聲、輸入同時匹配的電路結(jié)構(gòu)，得到了實現(xiàn)低噪聲設(shè)計的理論基礎(chǔ)。 在本文論述的設(shè)計中，使用了 CSM025RF 工藝庫模型。 本文所做的理論研究應(yīng)用到實際的電路結(jié)構(gòu)中，需要經(jīng)過不斷的嘗試。 在一般情況下，提高電路的靜態(tài)工作點能夠提高電路的線性度。在本設(shè)計中使用的電感占用了很大部分的版圖面積，本文也沒有討論過如何減少電感個數(shù)和減小電感量值。 含 有 噪 聲 的二 端 口 網(wǎng) 絡(luò)Y ssi snv ni 圖 A1 通過諾頓定理轉(zhuǎn)換的等效圖 從圖中可以知道輸出的噪聲功率可 以表示為： pnsnspnssna l lo GiYviGiiYvN ????????? ??????? 222, () 輸入噪聲 si 在輸出端的噪聲功率為 psnso GiN ?? 2, () 則電路的噪聲系數(shù)為： 222222snsnspspnsnsivYiiGiGiYviF ?????????????? ??? () 對于一個噪聲系統(tǒng)，常常使用噪聲系數(shù)來描述一個系統(tǒng)的噪聲特性。如圖 A2 所示。由此可以知道，等效噪聲溫度與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系式為 pe kBGNT ? () 等效噪聲與引用的電阻無關(guān)。 S參數(shù)在射頻段很容易測量，特別適合微波電路的系統(tǒng)設(shè)計。 rV2 為反射電壓波。當輸入端匹配很好時， 0??in 。 參數(shù) S21 可以作為電路的增益參數(shù)。 放大器的穩(wěn)定性也是一個電路重要的指標之一，當放大器的 S 參數(shù)同時滿足下面兩個表達式時，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。由信號源內(nèi)阻噪聲源在柵源間產(chǎn)生的噪聲電壓為： ? ? ssTgsgsgsnsgsRLLLssCsCvV??????111 () 信號 源的噪聲電壓可以用信號源的噪聲電流替代，即 snsns Riv ? 。 alpha=1。%工藝參數(shù) 載流子飽和速度 uo=。%信號源內(nèi)阻 c=。%工作頻率 w=2*pi*f。%柵源電容 Qin=1./w./Cgs./Rs。 F_=zeros(5,sizeW(1,2))。 for k=1:5 pow=(5*k)/1000。%跨導(dǎo) 38 Rn=gamma/alpha./gm。 Vod_(k,:)=Vod。r39。g39。black39。)。 figure subplot(2,3,1),plot(W,gm_(1,:),39。,W,gm_(3,:),39。,W,gm_(5,:),39。W39。)。b39。y39。xlabel(39。F/dB39。,W,Fmin_(2,:),39。,W,Fmin_(4,:),39。)。ylabel(39。r39。g39。black39。)。 subplot(2,3,5),plot(Qin,Fmin_(1,:),39。,Qin,Fmin_(3,:),39。,Qin,Fmin_(5,:),39。Qin39。)。)。 參考文獻 [1] 池保勇 .CMOS 射頻集成電路分析與設(shè)計 [M].北京：清華大學 出版社， 20xx： 2246. [2] 陳邦媛．射頻通信電路 [M]．北京：高等教育出版社， 20xx 年： 56193． [3] Behzad Razavi. CMOS technology characterization for analog and RF design [J].IEEE, 1999,34(3). [4] Snezana Jenei, Bart K. J. C. Nauwelaers, and Stefaan Decoutere. PhysicsBased Closed Form Inductance Expression for Compact Modeling of Integrated Spiral Inductors [J] .IEEE,20xx,37(1):7780. [5] Leonid Belostotski, James . Noise figure Optimization of inductively Degeneated CMOS LNAs with integrated gate inductors [J].IEEE,20xx,53(7). 39 [6] Xiaohua Fan, Heng Zhang, Edgar S225。Qin39。xlabel(39。ylabel(39。)。,Qin,Fmin_(4,:),39。,Qin,Fmin_(2,:),39。VgsVth39。xlabel(39。y39。b39。)。W39。,W,Fmin_(5,:),39。,W,Fmin_(3,:),39。 subplot(2,3,3),plot(W,Fmin_(1,:),39。)。black39。g39。r39。ylabel(39。)。,W,gm_(4,:),39。,W,gm_(2,:),39。F/dB39。xlabel(39。y39。b39。 F_(k,:)=10*log10(F)。%最小噪聲 F=Fmin+Rn.*Rs.*(abs(1/RsYopt)).^2。 Vod=(Id./W./Cox./Vsat./2)+sqrt((Id./W./Cox./Vsat./2).^2.+(Id./W./Cox./Vsat./2).*L.*Esat)。 Vod_=zeros(5,sizeW(1,2))。%噪聲匹配輸入阻抗 Yopt=1./Zopt。%MOS 管掃描范圍 L=。%電路工作電壓 Esat=2*Vsat/uo。%工藝參數(shù) 柵極氧化層厚度 Cox=*1e9。%工藝參數(shù) γ delta=4/3。溝道漏端受控電流為： ? ? mgssgsgsndmgs gsCsLsCsLRsLiigVi 11131 ??????? () 用 1i 表示 ndi 有 ? ?12111 igsL DgsLLLCss R Ciimsmssggsgsnd ?????????? ?????? () 漏端的噪聲電流為： ndmsndmsndndo iD gsLDiD gsLiii ???????? ????? 11, () 對應(yīng)的輸出噪聲功率為 35 222, ndmsndo iD gsLDi ?? () 當圖 C1 中的電容 Cgs 與電感 Ls、 Lg 諧振時， ? ? 12 ??? sggs LLCs () 則 ? ?smsgs LgRCsD ?? () 晶體管的柵極噪聲與溝道噪聲存在一定的相關(guān)性，可以將柵極噪聲分成兩部分，一部分與溝道噪聲完全相關(guān)，一部分與溝道噪聲完全不相關(guān)，即 ? ? 22222 414 cgkTcgkTiii ggngungg ?? ????? () 由相關(guān)性的定義可以知道，柵噪聲和溝道噪聲可以表示為： 22ndngndngciicjii ? () 在圖 C1 中，輸出端的輸出噪聲電流含有柵極噪聲成分、溝道噪聲成分、信號源噪聲成分，輸出端的噪聲功率可以表示為： 2,2,2,2,2 ,nguondongconsondongonsonoiiiiiiii??????? () 噪聲系數(shù)的另一種表示方法是，系統(tǒng)的輸出總噪聲功率比上輸入端輸入的噪聲在輸出端引起的噪聲輸出功率，則電感負反饋共源級電路的噪聲系數(shù)可以表示為： 2,2,sonoiiF? () ? ?? ?? ? ? ? ? ???????????????????????????????????????????????????????2222222202155151111gsgsmsgssggsdsmsLRsCgccRsCcLLCsgRgF????????? () 圖 C1 的源極電感可以看作是輸入匹配電路的一部 分，因而電路的噪聲可以表示為 soptsn G YYRFF2m in??? () 36 其中 mn gR1??? () ? ?2m in 1521 cF T ??? ???? () 當將源極電感看作是輸入匹配電路的一部分時，輸入的匹配電路就需要減去一部分阻抗 soptopt sLZZ ?? 0 () 0optZ 由式（ ）給出，即 ? ?? ? ??????????????????????????????????222200511551151?????????????ccCcjcYZgsoptopt () 37 附錄 D Matlab 程序 clear。如圖 C1。其中變換器功率增益是一個比較重要的參數(shù)，它考慮了信號源與負載的