【文章內(nèi)容簡介】 7所示。圖27 低噪聲放大器的1dB壓縮點示意圖 利用1dB壓縮點的定義，可以推導(dǎo)出1dB壓縮點的數(shù)學(xué)表達式。 ()則1dB壓縮點的數(shù)學(xué)形式為 ()由此可以知道，放大器的線性范圍與漏極電流的1階項和三階項的比值有關(guān)。由此可以知道，放大器的線性范圍與漏極電流的1階項和三階項的比值有關(guān)。（） 三階輸入交調(diào)點IIP3 常常使用“三階截點IP3”來說明三階互調(diào)失真的程度。三階互調(diào)截點IP3定義為三階互調(diào)功率達到和基波功率相等的點，此點所對應(yīng)的輸入功率表示為IIP3，對應(yīng)的輸出功率表示為OIP3。當(dāng)輸入信號為兩個頻率信號，并且這兩個頻率的振幅相等， ()經(jīng)過MOS管后，輸出的一次頻率項為： ()三次頻率組合項為 () ()由上述的推導(dǎo)，可以得出三階交調(diào)示意圖，如圖28。圖28 三階交調(diào)示意圖 由式()可知沒有失真的傳輸增益為，由式()可知，三階互調(diào)項的頻率幅度為。三階互調(diào)截點IP3被定義為三階互調(diào)功率達到和基波功率相等的點。由此可知，在IP3點處： ()三階截點的輸入信號幅度為： () ()圖29 1dB壓縮點與三階交調(diào)點的關(guān)系 比較式()和式()可以知道： ()由此可知，1dB壓縮點的輸入電平要比三階交調(diào)點電平約低10dB。（） 多級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)線性度表示方法（起最重要作用的線性級）圖 210 兩級放大器級聯(lián)系統(tǒng) 圖210，是兩個放大器級聯(lián)后的三階互調(diào)示意圖。設(shè)輸入信號為： ()忽略兩級電路的高次諧波項，第一級輸出和第二級輸出的電壓表達式： () ()由于放大器具有帶通濾波功能，輸出第二級輸入端的頻率項有、。并且高次項的幅度遠小于一階項的幅度，則第一級輸出的一階頻率項簡化為 ()第一級輸出的三階項幅度為 ()第二級電路的基波分量為 ()第二級電路的三階項為： ()結(jié)合式()，可以推出兩級電路級聯(lián)后的三階交調(diào)點電壓為： ()變換上式可得： ()級聯(lián)電路的三階交調(diào)截點輸入功率與每一級的關(guān)系為： ()多級級聯(lián)時，總的三階交調(diào)點為 ()一般情況下，電路的增益都會大于1。由此可知，整個電路系統(tǒng)的線性度小于各級電路的線性度，而前級電路增益較大時，后級電路會嚴重影響整個系統(tǒng)的線性度。所以，在電路線性度的設(shè)計中，必須提高各級的線性度；線性度與增益是一對矛盾的指標。4 CMOS低噪聲放大器的設(shè)計理論推導(dǎo) 在這一章中，將會推導(dǎo)低噪聲設(shè)計方程。低噪聲放大器的設(shè)計是一個射頻接收系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵部件。主要有四個特點：(1)它位于接收機的最前端，根據(jù)多級線性網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的噪聲系數(shù)計算公式，其整機噪聲系數(shù)基本上取決于前面單元模塊的噪聲系數(shù)。這就要求它的噪聲越小越好。(2)為了抑制后面各級噪聲對系統(tǒng)噪聲的影響，并對接收到的微弱信號進行足夠的線性放大，還要求有一定的增益，但為了不使后面的混頻器過載，產(chǎn)生非線性失真，它的增益又不宜過大。而且由于受傳輸路徑的影響，信號的強弱又是變化的，在接收信號的同時又可能伴隨許多干擾信號混入，因此要求放大器有足夠大的線性范圍，而且增益最好是可調(diào)節(jié)的。(3)低噪聲放大器一般通過傳輸線直接和天線或濾波器相連，故放大器的輸入端必須和它們有很好的匹配，以達到最大功率傳輸或最小噪聲系數(shù)。(4)應(yīng)具有一定的選頻功能，以及抑制帶外和鏡像頻率干擾的能力，因此它一般是頻帶放大器。（） LNA設(shè)計指標 低噪聲放大器的主要指標包括：足夠低的噪聲系數(shù)(NF)、足夠的線性度范圍(IIP3)、合適的增益、輸入輸出的匹配情況、輸入輸出間的隔離。對于一個移動設(shè)備來說，低電壓低功耗也是一個很重要的要求。（） 噪聲系數(shù) 噪聲系數(shù)是低噪聲放大器最為關(guān)鍵的指標之一，也是設(shè)計中的主要考慮因素。實現(xiàn)低噪聲的基本思路是：采用單管單級放大，以減小有源器件引入的噪聲；因為電阻有熱噪聲，所以匹配網(wǎng)絡(luò)宜用電感負反饋，而不宜用電阻負反饋。整個接收機所允許的噪聲系數(shù)一般在3dB以下。（） 增益增益是反映一個放大器放大能力的指標，低噪聲放大器的增益要適中，一般增益在1020dB之間。（） 線性度 1dB壓縮點、3階交調(diào)點作為線性度是描述一個放大器線性范圍和抗干擾能力的指標。其重要性在噪聲系數(shù)之后，也是一個很重要的指標。（） 輸入輸出匹配 在一個無線接收系統(tǒng)中，能接收到的信號都是能量極低的信號。在設(shè)計中，為了能更好的實現(xiàn)能量的傳遞，必須減小能量反射系數(shù)。輸入輸出匹配就是為了實現(xiàn)這樣一個目的。在本文將要論述的技術(shù)中，輸入輸出匹配也能更好的實現(xiàn)噪聲匹配，這是一個很重要的理論。將會為后面的設(shè)計提供最為重要的理論基礎(chǔ)。對于S參數(shù)更為詳盡的認識可以參考附錄B。（）輸入輸出隔離由于低噪聲放大器和混頻器間一般接有抑制鏡像干擾的濾波器，且第一中頻的數(shù)值較高，本振信號頻率位于濾波器通帶以外，因此本振信號向天線的泄漏較小。但一般的接收機方案中，本振泄漏則完全取決于低噪聲放大器的隔離性能。同時，低噪聲放大器的隔離度好，減小了輸出負載變化對輸入阻抗的影響，從而簡化了輸入輸出端的匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試。放大器的穩(wěn)定性是隨著反向傳輸?shù)臏p小，即隔離性能的增加而改善的。（） 電路功耗移動通信設(shè)備中還有一個很重要的指標是低電壓和低功耗。降低功耗的根本方法是采用低電源電壓、低偏置電流。但伴隨的結(jié)果是晶體管的跨導(dǎo)減小，從而又引起晶體管及放大器的一系列其他指標的變化。這將會限制低噪聲放大器的設(shè)計。（） 穩(wěn)定性穩(wěn)定性也是一個很重要的設(shè)計指標。由于晶體管的各級之間存在著寄生電容，在電路中形成一個反饋回路，又由于密勒效應(yīng)的存在，增加了反饋回路的作用，在一定條件下，將會造成電路的不穩(wěn)定性。電路中的各個指標之間都是相互關(guān)聯(lián)的，通常為互為制約的關(guān)系。（） CMOS LNA拓撲結(jié)構(gòu)分析（） 基本結(jié)構(gòu)及比較 低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)較多，常用的電路結(jié)構(gòu)如圖210所示。圖31 常用的LNA電路結(jié)構(gòu) 各種電路都有自己的特點，共源電路噪聲特性好，共柵電路的輸入匹配好。在設(shè)計的過程中，需要考慮到多種電路結(jié)構(gòu)的不同特點，來設(shè)計一個滿足要求的低噪聲放大器。由于低噪聲放大器的前一級通常是天線或者帶通濾波器，為了達到最大傳輸功率，放大器的輸入級應(yīng)表現(xiàn)為50Ω的負載特性。而MOSFET的輸入阻抗是容性的，為了實現(xiàn)低噪聲放大器和源極阻抗匹配，使LNA對外部電路表現(xiàn)為一個己知的電阻性阻抗，一般采用圖31所示的四種拓撲結(jié)構(gòu)。圖31 (a)中，晶體管采用共源結(jié)構(gòu)，輸入阻抗很大，并聯(lián)所需的電阻即可實現(xiàn)匹配。由于電阻的熱噪聲的影響，這種方式加大了放大器的噪聲。圖31 (b)中晶體管采用共柵結(jié)構(gòu)輸入阻抗為，數(shù)值較小。改變偏置電壓即可改變跨導(dǎo)，達到50Ω匹配。圖31(c)采用電阻串并聯(lián)反饋控制輸入阻抗，達到阻抗匹配。這種電路為了實現(xiàn)較好的噪聲特性，將會消耗很高的功耗，而且，電路中使用了多個電阻，不適合應(yīng)用于集成電路的設(shè)計。31(d)采用了源極電感負反饋，與晶體管的輸入電容等諧振后實現(xiàn)匹配，這種電路結(jié)構(gòu)常用于窄帶放大，與其他方式相比，它能獲得較好的噪聲特性。() 源極去耦與噪聲、輸入同時匹配(SNIM)的設(shè)計在射頻電路中，應(yīng)用最多的一個電路結(jié)構(gòu)是共源共柵（cascode）級聯(lián)結(jié)構(gòu)[5,6]。如圖32 所示。在分析圖32的噪聲特性時，主要考慮的是第一級的噪聲系數(shù)。圖 33是圖32第一級電路對應(yīng)的小信號噪聲模型。 “MOSFET兩端口網(wǎng)絡(luò)噪聲參數(shù)的理論分析”中可以得到圖33的幾個噪聲參數(shù)。圖32 經(jīng)典cascode電路結(jié)構(gòu)圖33 等效噪聲模型 () () () () ()應(yīng)該注意到的是，圖32中，能量最大傳輸時信號源的匹配阻抗為：，這與式()不可能同時滿足。當(dāng)滿足了噪聲匹配時，能量傳輸不能得到最佳化；當(dāng)滿足了能量傳輸匹配時，噪聲又達不到最小化。這兩種設(shè)計方案是存在矛盾關(guān)系的。在這種矛盾下，一般采用平衡法來實現(xiàn)要求，即兩個參數(shù)都不達到最優(yōu)化，取其中的一個點，在一定的范圍內(nèi)實現(xiàn)設(shè)計要求。在傳統(tǒng)的設(shè)計方法中，就形成了兩種設(shè)計方法：按照增益要求設(shè)計放大器和按照噪聲系數(shù)設(shè)計放大器。為了實現(xiàn)噪聲匹配和能量傳輸同時匹配的設(shè)計要求，在本文中，使用了一種名為噪聲、輸入同時匹配(SNIM)的設(shè)計技術(shù)。該技術(shù)所用到的電路結(jié)構(gòu)如圖34所示。其第一級電路的等效噪聲模型為圖35。圖34 源級反饋電路圖35 噪聲模型從圖中35中可以看到，這里所使用來的技術(shù)與圖33所示的電路結(jié)構(gòu)有很大相似。在圖35中，加入了一個源極負反饋電感。這個電感帶來的作用，主要是提供一個50Ω輸入匹配電阻。在傳統(tǒng)的輸入匹配中，常常使用電感并聯(lián)來實現(xiàn)輸入匹配，但是這種技術(shù)會在很大程度上增加電路系統(tǒng)噪聲系數(shù)。本文為了實現(xiàn)低噪聲的理論研究，提出了一種，不使用電阻元件，使用電感元件利用源極電流實現(xiàn)50Ω匹配。 “MOSFET兩端口網(wǎng)絡(luò)噪聲參數(shù)的理論分析”。附錄C中列出了詳細的噪聲推導(dǎo)過程，在這里就不再重復(fù)了。 由附錄C的推導(dǎo)可知圖35的噪聲系數(shù)為 () () () () 圖33的最佳噪聲匹配輸入阻抗為，圖35中，MOS管的源極加入了一個電感。從外部看，此時的噪聲最佳匹配阻抗為式()。式()到式()是共源共柵電路的噪聲參數(shù)，與沒有源極反饋的電路相對比，的虛部得到了改善，可以表示為： ()