【正文】 致謝語 24 致謝語 在本篇論文的完稿之際，心情就莫名的激動，油然而生的是滿滿的感激之情。 增益值 21S 為 ，雖然基本符合預(yù)期的性能指標(biāo)要求 ， 但是增益值還是不夠高，以后在設(shè)計上還有待改進這方面的性能。圖中的兩條曲線分別是一次互調(diào) 量 mix(vout,{1,0})和三階互調(diào)量 mix(vout,{2,1})。這時可以看到 1dB的壓縮點與方法一的結(jié)果是一樣的。而 1dB 壓縮點是衡量線性度的標(biāo)準(zhǔn)之一，使用 ADS 可以得出所設(shè)計的電路 1dB壓縮點的值，仿真結(jié)果如下。仿真結(jié)果如下圖 312所示。在接收機的前端，就是低噪聲放大器所處的位置，而低噪聲放大器的噪聲系數(shù)的要求是足夠小。當(dāng)然，放大器的輸出端也是要滿足比較好的匹配，這樣才不會影響到放大器的一些性能如增益和噪聲系數(shù)第 3 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 16 等。 圖 33 TSMC um CMOS RF 工藝 圖 34 元件庫 DC 直流仿真 現(xiàn)在，對所設(shè)計的電路圖進行直流仿真 DC，如下圖 35所示加入了 DC仿真控件進行仿真，點擊進行相應(yīng)的仿真操作即按 Simulate，這時我們 選擇菜單 SimulateAnnotate DC 各個節(jié)點的電壓 與 電流 都 將會標(biāo)注在 我們所設(shè)計的 原理圖上 。不僅如此，采用差分結(jié)構(gòu)能夠是改善電路的線性度，整體的提升 輸出信號的動態(tài)范圍。電路中，針對無線系統(tǒng)是高頻窄帶的情況，電感可以作為放大器的輸出負(fù)載，放大器是可以通過電容調(diào)諧來提高最后的輸出增益。所以，低噪聲放大器的輸入阻抗也要求必須要和此濾波器所要求的負(fù)載阻抗達到相應(yīng)的匹配。 2） 偏置電平所帶來的影響會被克服，這時放大器的性能會比較穩(wěn)定。這里也可以這么說，共源共柵結(jié)構(gòu)下的輸出到輸入的反饋影響是比較小的，輸入端和輸出端可以實現(xiàn)很好的隔離度，也就是意味著第一級的MOSFET 柵漏間中的寄生電容產(chǎn)生的影響降到最低。因此，我們很自然的將采用兩級結(jié)構(gòu)來設(shè)計低噪聲放大器，也就是在上面已經(jīng)提到過的電感源極負(fù)反饋的基礎(chǔ)上后，再在后面加上第二級的目的是抑制第一級所產(chǎn)生的柵漏寄生電容 gdC 并且可以提高電路的增益。以下是我們將采用的是共源共柵結(jié)構(gòu)來對低噪聲放大器進行設(shè)計分析，進一步改進我們的設(shè)計。 返回剛才討論的公式（ 22），如果 sg LL? 與 gsC 諧振在工作頻率 0W 下，即gsgs CLLW )(10 ?? ,則可以得到 sTsCgin LwLZ gsm ?? (23) 這時，只要讓 sTs LwR ? 等式成立，就可以得到輸入阻抗匹配。 表 11 國內(nèi)外相關(guān)文獻 CMOS 低噪聲放大器性能指標(biāo) 第 1 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 6 參考文 獻 工作頻率（ GHz） 電源電壓(V) 功耗（ mW） 低噪聲系數(shù) NF（ dB） 輸入匹配 輸出匹配 增益（ dB） 1dB 壓縮點(dBm) 三階交調(diào)截點（ dBm） [5] 32 26 20 [6] 29 32 [7] [8] 3 19 20 20 19 8 第 2 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 7 第 2 章 低噪聲放大器的方案設(shè)計 電感源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的采用以及相應(yīng)的參數(shù)介紹 在 中有討論的 低噪聲放大器的四種匹配方式中，前三種匹配的結(jié)構(gòu)效果是都可以滿足良好的功率匹配的，但是這幾種結(jié)構(gòu)會在信號傳輸?shù)穆窂街袝兄墚a(chǎn)生噪聲的電阻的存在，從而使電路的噪聲系數(shù)變差，產(chǎn)生較高的噪聲 ]10[ 。 在第二章會對這種結(jié)構(gòu)進行詳細的介紹。 （ a） 并聯(lián)電阻式 （ b）共柵式 （ c）串并聯(lián)反饋式 （ d）電感源極負(fù)反饋式 圖 13 低噪聲放大器的 4種匹配方式 這里只對圖（ a）圖（ b）圖（ c）做簡單的結(jié)論分析，圖（ a） 里， MOS 管采用的是共源的結(jié)構(gòu)，這樣輸入阻抗會很大，想要獲得匹配的話只需并聯(lián)所需要的電阻。有兩種方式與信號源匹配：一種是共軛匹配，目的是滿足最后得到最大的功率與最小的反射損耗。所以一般在接收前端，肯定是要做低噪聲設(shè)計。這里有三種電路設(shè)計控制增益的方法 ：改變 LNA 的負(fù)反饋值 、工作點電流、諧振回路中的 Q值等等，以上所述的共同點均是經(jīng)過改變載波電平檢測電路來實現(xiàn)自動增益控制電壓。圖（ 12）表示的是常規(guī)放大器的系統(tǒng)框圖，從這個框圖可以得出，經(jīng)過輸入匹配網(wǎng)絡(luò)還有射頻源阻抗匹配的是放大器的輸入阻抗，經(jīng)過輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載相匹配的是輸出阻抗。這里需要注意的是，全部的所 有提及的指標(biāo)很多都是相互制約，相互影響的。 現(xiàn)在，無線通信技術(shù)正在高速的發(fā)展，我們對各個領(lǐng)域的無線通信應(yīng)用要求也 越來越高，我們希望的是功率輻射越小，覆蓋范圍越大、作用距離能夠更遠等等的需求已經(jīng)成為各無線通訊設(shè)備制造商或者各大運營商的青睞。 本篇論文將先介紹 CMOS 低噪聲放大器的原理以及相對應(yīng)的性能指標(biāo)，然后分析低噪聲放大器所采用的基本電路結(jié)構(gòu)，并對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進行對比，之后用 ADS軟件進行電路圖的仿真，再對仿真結(jié)果進行分析及優(yōu)化調(diào)諧。伴隨著技術(shù)水平的提高，一些特性如噪聲特性和頻率特性也逐步得到了很大的改善和提高。本文是基于 TSMC CMOS 工藝并 運用電感源極負(fù)反饋與共源共柵結(jié)構(gòu)的結(jié)合作為設(shè)計低噪聲放大器的基本框架，并采用 ADS 軟件對電路圖進行仿真，對初步仿真結(jié)果進行進一步分析 ,處理的難點在于這些參數(shù)是密不可分的，因此要對它們進行折衷的考慮分 析、優(yōu)化調(diào)諧操作等等。仿真結(jié)果 為 ：在 處，輸入輸出回波放射系數(shù) 11S 與 22S 都小于 30dB, 增益值 21S 為 ，功耗為 38mA，噪聲系數(shù)為 ,1dB 壓縮點為 dBm,三階互調(diào)點為 。也正是因為這些 CMOS 的優(yōu)勢，用它來實現(xiàn)射頻通信 SOC 是非常有吸引力的。 第 1 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 2 第 1 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 基本概念 放大器按總的分類，可以分為低噪聲放大器、中功率放大器、高增益放大器、大功率放大器。因此，這樣就對我們的系統(tǒng)接收靈敏度提出了更加高的要求，下面給出的是系統(tǒng)接收靈敏度的公式 (11)： S=174+NF+10lg(BW)+S/N (11) 公式中，其中 NF 表示的是噪聲系數(shù)， BW 表示的是系統(tǒng)帶寬， S/N 表示的是輸入信號噪聲比。對于集成電路來講，性能指標(biāo)不僅僅是取決于本身的電路結(jié)構(gòu)，還取決于所采用的工藝技術(shù)，還有重要的注意事項是在設(shè)計中如何的采用折衷理念及原則，以下將詳細的分析這些性能的指標(biāo)參數(shù)。如下所表示二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出放射系數(shù) in? 和 out? ： LLin SSSS ?? ???? 22211211 1 （ 12） SSout SSSS ?? ????11211222 1 （ 13） 其中： 00ZZ ZZsss ???? （ 14） 00ZZ ZZLLL ???? （ 15） 其中， 0Z 表示的是特征阻抗， S? 表示的是電源的反射系數(shù)， L? 表示的是負(fù)載的反射系數(shù)。 第 1 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 4 圖 12 常規(guī)放大器系統(tǒng)框圖 工作頻率 MOS 管的特征頻率 Tf 能夠影響到放大器允許的工作頻率，要想使管子的特征頻率降低就需要減小偏置電流。而由一些列的公式推導(dǎo) ]3[ ，可以得出，想要得到最小的噪聲系數(shù)，源阻抗是一定要滿足的特定條件，換種說法也可以說成輸入的阻抗一定要進行特定的匹配；另外，通常為了實現(xiàn)最大的功率傳輸，輸入輸出阻抗都要有 50?的阻抗匹配的。第二種是噪聲 匹配，目的是可以得到最小的噪聲系數(shù)。而因為電阻的熱噪 聲缺陷，增加了 LNA 的噪聲，同時會在 signal 到達 MOS 管前就會衰減很多。 線性度 這里主要由 1dB 壓縮點和三階交調(diào)截點 3IIP 可以用來衡量線性度。那么這個時候就要考慮，如果能夠在信號的傳輸路徑上避免這種帶噪聲電阻，這樣就能使電路的噪聲大幅度的 降低，這時我們采用的方法是在管的源極和柵極分別接有電感，以實現(xiàn)匹配。在這樣的匹配結(jié)構(gòu)下電感 sL 提供匹配電阻，使輸入阻抗等于源電阻，電感 gL 可以讓輸入回路在工作頻率上發(fā)生諧振 ]12[ 。 在我們現(xiàn)實的設(shè)計過程當(dāng)中， Casode 共源共柵結(jié)構(gòu)是被采用最多的結(jié)構(gòu)。如上圖（ 22）所示，其中的第二級的 MOSFET 即就是所謂的共柵結(jié)構(gòu)。 總之，共源共柵 結(jié)構(gòu)（ Cascode）的優(yōu)點如電路簡單，不僅在提供增益的時候，而且還能夠抑制第一級的柵漏寄生電容產(chǎn)生的影響，讓輸入輸出端能夠很好的進行隔離，因此輸入和輸出的阻抗可以比較容易的與信號和負(fù)載的阻抗?jié)M足阻抗匹配。 3） 因為采用差動的輸出，輸出信號的電壓擺幅會明顯的增大一倍 。 低噪聲放大器（ LNA）的設(shè)計是要在多個性能指標(biāo)中進行折衷優(yōu)化的，而不僅僅只是針對某個特定指標(biāo)，這些多個指標(biāo)中就包括噪聲系數(shù) 、增益、輸入輸出匹配、功耗以及線性度等。下圖 31 所示是低噪聲放大器的設(shè)計電路圖。 仿真結(jié)果電路圖 運用 ADS2020 仿真后，電路的原理圖如下圖 32 所示。之后我們可以 選擇菜單 SimulateClear DC Ann