【正文】 ......................................37 單端 CASCODE 電路 ................................................39 單端電路的設(shè)計(jì) .............................................39 單端電路的電路級(jí)仿真 .......................................43 單端電路的版圖設(shè)計(jì)、提取及后模擬 ...........................45 電路級(jí)仿真和后模擬仿真總結(jié) .....................................48 與其它電路的比較 ...............................................49 結(jié)束語 ........................................... 51 致 謝 ........................................... 52 參考文獻(xiàn) .......................................... 53 附錄 A 二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲理論補(bǔ)充 .......................... 54 附錄 B S 參數(shù)與反射系數(shù) ............................... 56 雙端口網(wǎng)絡(luò) S 參數(shù) ...............................................56 反射系數(shù)與 S 參數(shù)的關(guān)系 .........................................57 其它參數(shù)與 S 參數(shù)的關(guān)系 .........................................58 附錄 C 電感源極負(fù)反饋共源電路噪聲推導(dǎo) ..................... 59 附錄 D MATLAB 程序 ................................... 63 南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第一章 緒論 課題背景 在最近的十多年來，迅猛發(fā)展的射頻無線通信技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域中，如 ： 高速語音 來，第 3 代移動(dòng)通信 (3G)、高速無線互聯(lián)網(wǎng)、 Bluetooth 以及利用 MPEG標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)無線視頻圖像傳輸?shù)男l(wèi)星電視服務(wù)等技術(shù)是日新月異，無線通訊技術(shù)得到了飛速發(fā)展，預(yù)計(jì)到 2020 年，無線通信用戶將達(dá)到 10 億人 [1]，并超過有線通信用戶。樂觀的估計(jì)，在最近幾年里， CMOS 射頻集成電路將徹底改變無線通信的面貌。 南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 混 頻 器中 頻 放大 器解 調(diào) 器低 通 濾波本 地 振蕩 器輸 入 回路射 頻 放大 器基 帶 輸 出射 頻 中 頻 圖 11 超外差接收機(jī)的系統(tǒng)框圖 [2] 研究現(xiàn)狀及存在的問題 近年來，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)。 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。 本 論文主要工作 在射頻低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，各指標(biāo)存在一定的相互制約性。 論文內(nèi)容安排 本論文的內(nèi)容安排如下： 第一章緒論是對(duì)本課題研究的項(xiàng)目分析 。在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，噪聲的設(shè)計(jì)最為重要，而晶體管的寬長(zhǎng)比 (W/L)是決定電路噪聲系數(shù)的最要因數(shù)，而靜態(tài)工作點(diǎn)則主要影響到電路的功耗。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。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)來充分地描述它的特性。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。 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。其等效電路如圖 22 所示。圖 23 為考慮柵阻噪聲和襯底噪聲的 MOS 管噪聲模型。 把公式 ()和 ()代入到公式 ()中，得到最小噪聲因子： ? ? ???????? ??????? ccnuncoptn GGRGRGGRF 2m i n 2121 () 由式 ()可以推導(dǎo)式 ()的另一表示方法： 南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 ? ? ? ? ? ?? ?22m i nm i nm i n op tsop tssn BBGGGRFFFFF ???????? () 上式表 明，兩端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能可以由 minF 、 nR 、 optB 和 optG 四個(gè)噪聲參數(shù)確定。 MOSFET 兩端口網(wǎng)絡(luò)噪聲參數(shù)的理論分析 V i n V o u t 圖 26 NMOS 共源電路 在上一小節(jié)中，已經(jīng)對(duì) MOS 管的噪聲和系統(tǒng)的噪聲系數(shù)進(jìn)行了分析。對(duì)于長(zhǎng)溝道晶體管， 1?? ；當(dāng)溝道長(zhǎng)度減小時(shí)， α 降低，因此， α表示了晶體管工作偏離長(zhǎng)溝道特性的程度。 降低噪聲系數(shù)的 一般 措施 常用的減小噪聲系數(shù)的措施如下。 3)選擇合適的信號(hào)源內(nèi)阻。 5)選用合適的放大電路組態(tài)。在本小節(jié)中，將會(huì)對(duì)共源電路進(jìn)行分析，得出一般化的結(jié)論。在一般的情況下， 03?a 。三階互調(diào)截點(diǎn) IP3 定義為三階互調(diào)功率達(dá)到和基波功率相等的點(diǎn)，此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入功率表示為 IIP3，對(duì)應(yīng)的輸出功率表示為 OIP3。設(shè)輸入信號(hào)為： ? ? ? ?ttVtv imi 21 c o sc o s ?? ?? () 忽略兩級(jí)電路的高次諧波項(xiàng)，第一級(jí)輸出和第二級(jí)輸出的電壓表達(dá)式： ? ? ? ? ? ? ? ? ????? tvatvatvatv iiio 332211 () ? ? ? ? ? ? ? ? ????? tvbtvbtvbtv oooo 3 132 12112 () 南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 由于放大器具有帶通濾波功能，輸出第二級(jí)輸入端的頻率項(xiàng)有 1? 、 2? 、 212 ??? 、 122 ?? ? 。 dBaVaa dBim 1l og2043l og20 12 131 ??? ? () 則 1dB 壓縮點(diǎn)的數(shù)學(xué)形式為 311 aaV dBim ?? () 由此可以知道，放大器的線性范圍與漏極電流的 1 階項(xiàng)和三階項(xiàng)的比值有關(guān)。 當(dāng)信號(hào)的幅度大到器件的高次諧波項(xiàng)不能忽略的時(shí)候，由式 ()可以得到基波信號(hào)電流為 ? ?tvVaatVaVai iimiimimS ?????? ???????? ?? 2313311 43c os43 ? () 其幅度為 南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 3311 43 imimS VaVaI ?? () 由此可以得到， 大 信號(hào)的平均跨導(dǎo)為： 2311 43 imimSm VaaVIg ??? () 由式 ()可以知道， 大 信號(hào) 的 平均跨導(dǎo)與輸入信號(hào)幅度 imV 有關(guān)。常用 1dB 壓縮點(diǎn)和三階交調(diào)點(diǎn)來描述電路的線性度。接收機(jī)或放大器的寬度增大時(shí)，接收機(jī)或放大器的各種南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 內(nèi)部噪聲也增大。 晶體管放大級(jí)的噪聲系數(shù) nF 和晶體管的直流工作點(diǎn)有著一定的關(guān)系。以上的推導(dǎo)中，忽略了 MOS 的柵極阻抗噪聲、襯底噪聲及其它噪聲。由此可以把柵極噪聲拆成兩項(xiàng)， ? ? ? ?BcgkTBcgkTiii ggngungg 2222 144 ????? ?? () 式中， ngci 與 ndi 完全相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為ｃ， ngui 與 ndi 完全不相關(guān)。但是噪聲系數(shù)不僅僅與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲有關(guān)，還與其源端的輸入噪聲有關(guān)，即與信號(hào)源內(nèi)阻和信號(hào)源噪聲溫度有關(guān)。 由式 ()知，一旦一個(gè)給定的二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性己用它的四個(gè)噪聲參數(shù)（ cG 、cB 、 nR 和 uG ）表示，那么就可以求出使噪聲因子達(dá)到最小的一般條件。在研究MOS 管的噪聲時(shí)，可以忽略其它噪聲的影響。 Van der Ziel 考慮了溝道的分布特性提出了兩個(gè)噪聲源來表征的模型 [1]。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。 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。 噪聲的表示方法 噪聲是一種隨機(jī)變量，它來源于射頻系統(tǒng)中的各元器件。 在本章中，將會(huì)以大量的篇幅來論述經(jīng)典的噪聲理論基礎(chǔ)。 第三章首先介紹了 LNA 的設(shè)計(jì)指標(biāo)。 電路中的各個(gè)指標(biāo)都是相互制約的，一個(gè)指標(biāo) 得到提高 ，其它指標(biāo)都會(huì)有所減小。然而，特征南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 尺寸的縮小卻會(huì)帶來其他方面的問題，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]。一方面是 MOS 管、片上電感、電容、襯底的寄生參數(shù)的提取問題，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題。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