【正文】 綜上，以上所有指標(biāo)是基本符合設(shè)計時的要求。 第 3 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 21 圖 318 dbm_out曲線 （ 1dB壓縮點） 三階互調(diào)仿真 衡量線性度的標(biāo)準(zhǔn)主要由之前已經(jīng)介紹過的 1dB 壓縮點之外，另外一個就是由三階交調(diào)截點 3IIP 來衡量的。而此刻的噪聲系數(shù)值相差不多，不過一樣滿足了預(yù)期的設(shè)計 指標(biāo)。低噪聲放大器的增益大小與跨 導(dǎo) 是有關(guān)系的，而工作點的電流能夠決定跨 導(dǎo) 的大小。這里由于 Lg和 Ls 所調(diào)用的還 是 理想電感，因此仿真的結(jié)果會比較滿意。因為單端的低噪聲放大器對接地寄生電感是很敏感的，這時我們可采用差分結(jié)構(gòu)的對稱點上的交流接地來克服這個不足，而且這種差分結(jié)構(gòu)還能夠抑制共模干擾 對電路 的影響。在現(xiàn)實的設(shè)計電路中，因為存在著噪聲和干擾以及一些其他寄生效應(yīng)對電路的影響，這時就很難精確的把直流電平控制在合理的大小 的范圍內(nèi)，這就會直接關(guān)系到了單端放大器的性能。 在前面的結(jié)構(gòu)分析中，我們沒有分析考慮的是晶體管與柵極間的柵漏寄生電容 gdC對整個電路的影響，它是我們在實際的設(shè)計過程中所不能忽視的要素，即對我們的電路性能產(chǎn)生很大的影響。這時候的輸入阻抗則為 sCggssCin LLLsZ gsmgs ???? )(1 （ 22） 因此，選擇合適的源極電感 sL 和柵極電感 gL ，讓輸入阻抗的實部能夠等于 50? 。圖（ c）方案適合于寬帶 的 放大， 不足之處 是在與 其他 相同噪聲性能 不同形式 結(jié)構(gòu) 的 放大器進行比較，它的功耗 還是 偏大，如果是在 我們設(shè)計 低噪聲放大器中， 用到的 電阻 相對較 多，不適用 于 CMOS 技術(shù)。 功耗 低噪聲放大器就是一個小信號放大器，要有一個靜態(tài)偏置?，F(xiàn)在，我們再來看影響放大器增益的因素 。 下面給出的是一個射頻接收機的例子，可以讓我們簡單的初步認(rèn)識和了解低噪聲放大器在其中的應(yīng)用。 ADS（ Advanced Design System）是 Agilent 公司研發(fā)出來針對射頻電路的仿真軟件，它有著強大的功能，仿真手段多樣，可以提供幾乎所有射頻微波電路的設(shè)計仿真和優(yōu)化，是射頻工程師們強大武器。集美大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 鄭鵬達：基于 ADS 的低噪聲放大器設(shè)計 基于 ADS 的低噪聲放大器設(shè)計 [摘要 ] 伴隨著無線通信和 CMOS 工藝的發(fā)展，讓基于 CMOS 工藝下的射頻集成電路設(shè)計成為目前研究熱點。本篇論文也著重運用 ADS 軟件對低噪聲放大器的進行設(shè)計仿真與優(yōu)化。如下圖（ 11）所示，它是從各種復(fù)雜的電波中選出有用信號，這時低噪聲放大器放大信號 放大到解調(diào)器所要求的電平值后需再經(jīng)過解調(diào)器的解調(diào)，將頻帶信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘枴?首先，管子的跨導(dǎo)可以影響到放大器的增益，而工作點的電流決定著跨導(dǎo)的大小。而采用低電源的電壓和低偏置的電流，是降低功耗的根本方法。圖（ d）中所看到的是 MOS 管的源極采用的源極是采用電感負(fù)反饋式，與 MOS 管的輸入電容等調(diào)諧后可以實現(xiàn)匹配， 它適合于窄帶的放大。此時，柵極電感 gL 的用途是用于抵消信號路徑中殘余的電容，讓輸入阻抗在某一頻率上表現(xiàn)出來的是 50? 的純電阻。有資料顯示是這么認(rèn)為的，這個電容將會影響電路的高頻響應(yīng)，第 2 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 9 這種現(xiàn)象就是所謂的密勒效應(yīng)（ Miller effect） ]4[ 。但是如果合理的運用差分放大器則是可很好的解決這個難題。另外，差分結(jié)構(gòu)相比單管的線性度要好非常的多。 第 3 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 13 圖 32 ADS 仿真低噪聲放大器（ LNA）的原理圖 仿真結(jié)果分析 本設(shè)計所采用的是 TSMC um CMOS 工藝的射頻工藝庫對 LNA 進行仿真，如下圖33所示，而且有些元件是調(diào)用 TSMC RF CMOS 的工藝庫，如下圖 34 所示。不僅如此，負(fù)載的大小還能夠影響到放大器的增益。 調(diào)諧后的具體參數(shù)參考值如下表 32 所示。 仿真的開始，要在原理圖中選擇 SimulationHB 選項 添加兩個 3IP out Measurement Equation 并進行簡單的設(shè)置。 當(dāng)然，本人水平有限以及時間因素等的考慮，論文中還存在著很多的不足，以后關(guān)于這些方面的不足會加以改 正，比如：由于論文中有用到的電路理論原理的支持還是不夠完善，而且本人對于設(shè)計低噪聲放大器比較局限是以仿真分析為主，理論方面還是相對薄弱。 1dB 壓縮點為 和輸入三階互調(diào)點為 ，表明著電路的線性度良好。而這兩條曲線用 maker標(biāo)出，可以清楚的得到它們相差 1dB時的 RF_pwr的值的大小，即是 1dB的壓縮點為 。在這里也注意到這個時候電路的增益是,相比之前的 提高了 。 電路增益： 低噪聲放大器要有合適大小的增益，目的是要讓后面各級的噪聲系數(shù)對整個系統(tǒng)的影響降低到 最低，但是對于增益的大小，要有一定的限度，不能夠過大，因為過大 后 會使后面的混頻器過載，出現(xiàn)非線性失真的情況。在這里需要說明的是，在畫原理圖的時候，我們在 Component Palette List 選擇 元件庫，而我們的設(shè)計電路圖如下圖大部分的元件都是調(diào)用庫文件 TSMC RF CMOS ，除了 兩端的 Term 是在 SimulationS_Param 中 調(diào)用的，電感 Lg、 Ls 是在 LumpedComponent 中調(diào)用的。后面又采用了共源共柵結(jié)構(gòu)（ Cascode）目的是增大了低噪聲放大器的反向隔離，又提高了整個電路的穩(wěn)定性，這種結(jié)構(gòu)擁有著最理想的輸入輸出間的隔離度， 使 極間電容 gdC 對電路的影響 受到抑制 ，而且因為共柵電路中的低輸入阻抗特性的存在使 得共源電路中的密勒倍增效應(yīng)可以有效的被克服。 單端和差分放大器 單端放大器是指當(dāng)放大器只有一個輸入端和一個輸出端的情況，而它的性能與它的直流偏置狀態(tài)是密不可分的。本篇論文所采用的結(jié)構(gòu)也是如此。如圖 21 所示， 圖 21 電感源極負(fù)反饋式的共源放大器電路結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)的小信號等效電路如下圖 22 所示，該結(jié)構(gòu)忽略 gdC ， 圖 22 電感源極負(fù)反饋式的小信號等效電路 由上圖我們可以寫出電路的輸入阻抗如式（ 21） 第 2 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 8 sCgssCin LsLZ gsmgs ??? 1 （ 21） 而可以在晶體管的柵極一端串聯(lián)一電感 Lg,這是為了用于優(yōu)化噪聲系數(shù)等等的指標(biāo)，滿足 gsC 不受制于阻抗匹配的限制。 圖（ b）共柵式的缺點是噪聲系數(shù)不管是在低頻條件還是高頻條件它的值都是不滿足我們的要求的。具體的，在參考文獻 ]4[ 中也提到，靜態(tài)工作點的電流時能夠影響到放大器的噪聲系數(shù)的，通常在電路中都存在一個最佳的工作電流使 NF 得值得到最小。 總之，增益是放大器的基本指標(biāo)。低噪聲放大器 其主要作用是放大 接收機 天線從 外界 接收到的微弱信號，減少噪聲 對真正有用信號 的 影響 ，以供系統(tǒng)解調(diào)出 真正為我們所 需要的信息數(shù)據(jù)，即將來自天線的弱信號在傳輸較低噪聲的情況下進行放大。 因此，在片上系統(tǒng)的驅(qū)使下，基于 CMOS 的射頻集成電路設(shè)計已經(jīng)在現(xiàn)階段成為了一個研究新熱點。本文主要是設(shè)計低噪聲放大器， 決定著接收機整體性能的關(guān)鍵模塊。 現(xiàn)階段，我國在射頻集成電路方面雖然起步較晚，但是近年來在各方面已經(jīng)開始在大力的追趕，目前也已經(jīng)取得了很大的突破，在射頻集成電路方面也得到了足夠的重 視。 圖 11 接收機的組成框圖 低噪聲放大器性能參數(shù)的介紹 低噪聲放大器（ Low Noise Amplifier， LNA）作為首級增益級電路，就注定要滿足第 1 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 3 多個性能指標(biāo)，這是設(shè)計低噪聲放大器的過程中需要面對克服的難題。其次，負(fù)載還與放大器的增益有關(guān)系。這時也會出現(xiàn)的情況是引起 MOS 管的跨導(dǎo)變小，繼而引起 MOS管和放大器的所有相關(guān)指標(biāo)發(fā)生變化。它和前面的三種結(jié)構(gòu)相比較， 它擁有的 噪聲性能 較好 ，所以在 CMOS 放大器中 經(jīng)常能見到它的身影 。可以看到這種源極電感負(fù)反饋結(jié)構(gòu)是一種窄帶匹配的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠在很大程度上降低系統(tǒng)的噪聲，因為這種結(jié)構(gòu)可以在信號傳輸?shù)穆窂缴媳苊獾粼肼曤娮琛６谶@里，因為 MOSFET 的柵漏寄生電容 gdC 的不可忽視，所以工作的時候會在 MOSFET 的輸入與輸出端口產(chǎn)生反饋。差分放大器是指放大器具有對稱的雙端輸入與雙端輸出的情況。綜上所述，本文采用的是電感源極負(fù)反饋和共源共柵結(jié)構(gòu)的 CMOS 差分放大器來設(shè)計位于射頻電路前端的低噪聲放大器。電路仿真工具采用的是 Agilent 公司所屬的 ADS2020 軟件。在 S參數(shù)里， 21S 參數(shù)代表的是整個電路的正向傳輸?shù)脑鲆娲笮?，正如上圖 38中所示，可以看到在 處，增益的大小為 。 表 32 調(diào)諧后參數(shù)參考值 參數(shù)名稱 參數(shù)值 sL gL lt_c Cin Cout 1dB 壓縮點仿真 在設(shè)計低噪聲放大器的時候就是要設(shè)計出具有足夠大的線性范圍的放大器，原因是在現(xiàn)實中， LNA 很多 時候接收的信號都是很微弱的，而且會受在信號傳輸路徑下的影響，在傳輸過程中信號大小又是不確定的，與此同時，外界干擾信號的存在又會影響到接收到信號的質(zhì)量。同時也還要設(shè)置 設(shè)置 HB Simulation Controller 的相關(guān)參數(shù)，掃描 RF_pwr,關(guān)于參數(shù)設(shè)置如下圖 319所示。而且文章僅僅是屬于前仿階段，只能得到仿真的性能參數(shù)等等。 噪聲系數(shù)為 ,符合預(yù)期的預(yù)想值。可以看到隨著RF_pwr增大，輸出功率 dbm_out在后面會發(fā)生非線性的變化。 第 3 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 18 圖 312 完成調(diào)諧后各參 數(shù)狀態(tài)圖 第 3 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 19 圖 313 調(diào)諧結(jié)果的參考值 在這里，從上圖 312 我們可以看到， 11S