【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的噪聲表達(dá)式，得出減小噪聲的一般方法， 說(shuō)明了 最簡(jiǎn)單的噪聲匹配理論。在這一章節(jié)中，也 說(shuō)明 了 LNA 的線(xiàn)性度計(jì)算方法。 第三章首先介紹了 LNA 的設(shè)計(jì)指標(biāo)。在原有的設(shè)計(jì)技術(shù)上， 進(jìn) 一步推導(dǎo)出了噪聲、輸入同時(shí) 匹配的設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)出本文 的 LNA 設(shè)計(jì)理念。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。在 LNA 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析中，得出了一系列的設(shè)計(jì)方程，使用 Matlab 工具，則可以從仿真圖中得出了最佳的寬長(zhǎng)比 (W/L)。本章中也 簡(jiǎn)單說(shuō)明 了 一種 恒跨導(dǎo) 的偏置電路設(shè)計(jì)。 第四章，利用前面三章 介紹 的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出了兩個(gè)電路，一個(gè)是 差分電路 ，一個(gè)是 單端 電路 ，并對(duì)這兩個(gè)電路進(jìn)行了比較。 其中，在 單端 電路中進(jìn)行了高線(xiàn)性度的設(shè)計(jì)，并通過(guò)了電路 級(jí)仿真、版圖設(shè)計(jì)、版圖提取、版圖電路一致性檢查 和后模擬 。 南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第二章 射頻電路噪聲理論和線(xiàn)性度分析 評(píng)價(jià)一個(gè)射頻系統(tǒng)的性能優(yōu)劣時(shí)，兩個(gè)很重要的指標(biāo)是噪聲系數(shù)和非線(xiàn)性失真。 在本章中，將會(huì)以大量的篇幅來(lái)論述經(jīng)典的噪聲理論基礎(chǔ)。 噪聲理論 低噪聲放大器位于接收通道的第一級(jí)，它的噪聲特性將大大影響整個(gè)系統(tǒng)的噪聲特性。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(lái)。另外，從總體上來(lái)說(shuō)， CMOS 器件的噪聲特性比雙極型器件 (Bipolar)或 GaAs 器件的噪聲特性差，因此，對(duì)于 CMOS 低噪 聲放大器的設(shè)計(jì)，噪聲性能的優(yōu)化更是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為了進(jìn)一步優(yōu)化低噪聲放大器的噪聲系數(shù)，有必要深刻理解各元件的噪聲產(chǎn)生機(jī)理，并精確的模擬電路中各元件產(chǎn)生的噪聲，估計(jì)系統(tǒng)的輸出端噪聲，這對(duì)電路的設(shè)計(jì)也是十分重要的。目前，隨著先進(jìn)的亞微米 CMOS 工藝應(yīng)用于射頻芯片設(shè)計(jì)， MOSFET 的高頻噪聲模型顯的更為重要，對(duì)亞微米 MOSFET 的高頻噪聲進(jìn)行建模也是近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，因此本文對(duì) RFIC 中 MOS 管的高頻噪聲模型的并結(jié)合本文所采用的工藝進(jìn)行分析總結(jié)。本章的第一節(jié)介紹噪聲的基礎(chǔ)理論 ； 第二節(jié)則重點(diǎn)討論 MOSFET 的高頻噪聲。第三章主要論述線(xiàn)性度的基本理論。 噪聲的表示方法 噪聲是一種隨機(jī)變量，它來(lái)源于射頻系統(tǒng)中的各元器件。對(duì)于隨機(jī)過(guò)程，不可能用某一確定的時(shí)間函數(shù)來(lái)描述。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(lái)充分地描述它的特性。一般采用噪聲電壓或噪聲電流的平均值、方差、功率普密度來(lái)描述。 有噪系統(tǒng)的噪聲性能可用噪聲系數(shù)的大小來(lái)衡量。噪聲系數(shù)定義為系統(tǒng)輸入信噪功率比 ? ? iii NPSNR /? 與輸出信噪功率比 ? ? ooo NPSNR /? 的比值： ? ?? ?ooiioi NP NPSNRSNRF ??? 輸出端的信噪比輸入端的信噪比 () 噪聲系數(shù)常用分貝數(shù)表示 ： FNP NPNF oo ii lg10lg10 ?? () 可以看出，噪聲系數(shù)表征了信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)后，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲造成信噪比惡化的程度。如果系統(tǒng)是無(wú)噪的，不管系統(tǒng)的增益多大，輸入的信號(hào)的噪聲都同樣被放大，而南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 沒(méi)有添加任何噪聲，因此輸入輸出的信噪比相等，相應(yīng)的噪聲系數(shù)為 1。有噪系統(tǒng)的噪聲系數(shù)均大于 1。 本文研究的 器件噪聲類(lèi)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。在這些電子器件中存在的噪聲，按照噪聲的來(lái)源可以分為：熱噪聲、散射噪聲 (shot noise)、閃爍噪聲、散彈噪聲 (popcorn noise)等。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。 熱噪聲 R ( 有 噪 )R ( 無(wú) 噪 )R ( 無(wú) 噪 )2nD2nI 圖 21 電阻的熱噪聲及其等效電路 熱噪聲是導(dǎo)體中電荷載流子 (電子、空穴 )無(wú)序熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲。由于幾 乎沒(méi)有絕對(duì)零度的環(huán)境，因而導(dǎo)體中的熱噪聲無(wú)法避免。這種噪聲最早是 Johnson 于 1928 年由實(shí)驗(yàn)觀(guān)察得到，其后 Nyquist 又從理論角度進(jìn)行了定量的分析。計(jì)算一個(gè)有噪電阻在頻帶寬度為 B 的線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的噪聲時(shí)，可以看作是阻值為 R 的理想無(wú)噪電阻與一有噪聲電流源并聯(lián)，或阻值為 R 的理想無(wú)噪電阻與一個(gè)噪聲電壓源串聯(lián)，如圖 21 所示。根據(jù) Nyquist的定義，噪聲均方電壓或電流的表達(dá)式為 [2]： BRkTIn 142 ? () kTRBDn 42 ? () 式中 k 為波爾茲曼常數(shù)， KJk /103 8 23??? ， T 為絕對(duì)溫度，室溫下為 290K， B 為帶寬。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。若把電阻 R 的熱噪聲作為噪聲源，則當(dāng)此噪聲源的負(fù)載與它匹配時(shí)，它所能輸出的最大噪聲功率，或者它的額定功率為： kTBNA ? () 南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 由 式 ()可知，它與電阻本身的大小無(wú)關(guān)，僅與溫度和系統(tǒng)帶寬有關(guān)。 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。 MOS 噪聲模型 GSDngi gsv gsC gsm vg ndigg+ 圖 22 MOS 管的簡(jiǎn)化噪聲模型 晶體管實(shí)際上是一個(gè)可控的電阻。尤其是 MOSFET，在強(qiáng)反型區(qū)，表面溝道就是一個(gè)電阻，且溝道電流主要是由偏移電流構(gòu)成。因而可以推斷， MOSFET 的噪聲主要是由溝道電組的熱噪聲形成。由于柵電容的存在，溝道電阻的分布特性會(huì)將 沿溝道方向局部產(chǎn)生的熱噪聲通過(guò)局部柵電容耦合到柵極上去。 盡管產(chǎn)生熱噪聲的源只有溝道電阻，但其分布特性和與柵電容的耦合，使得用少數(shù)幾個(gè)集總元件在 MOS 模型中表征噪聲特性不那么容易。 Van der Ziel 考慮了溝道的分布特性提出了兩個(gè)噪聲源來(lái)表征的模型 [1]。一個(gè)是接在漏源之間的電流源，記為 ndi （下標(biāo) d 指漏極）；另一個(gè)是接在柵源之間的電流源，記為 ngi 。其等效電路如圖 22 所示。漏端噪聲電流的值為 BgkTi dnd 02 4 ?? () 其中， 0dg 是 0?dsV 時(shí)的共源輸出電導(dǎo)， γ 為工藝參數(shù)，長(zhǎng)溝道器件 γ≈ 2/3，對(duì)于短溝器件 γ 在 2~3 之間 [5]。柵噪聲電流的均方值為： BgkTi gng ?42 ? () 0225 dgsg gCg ?? () 式中 δ 為柵噪聲系數(shù)，約為 4/3。由式 ()、 ()可以知道，柵噪聲電流與晶體管的柵源電容和工作頻率都是二次方 成 正比關(guān)系。柵噪聲電流是通過(guò)柵源電容 Cgs 產(chǎn)生的一種非南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 準(zhǔn)靜態(tài)效應(yīng)引入得柵噪聲，所以式 () 與式 ()具有一定的相關(guān)性，通常用相關(guān)系數(shù) “ c”來(lái)表示。 在有關(guān) MOS 噪聲的討論中，只需考慮溝道熱噪聲和柵漏之間的耦合噪聲。在研究MOS 管的噪聲時(shí)，可以忽略其它噪聲的影響。實(shí)際上， MOS 晶體管的柵寄生電阻的熱噪聲、襯底寄生阻抗引入的熱噪聲以及溝道熱噪聲通過(guò)背柵調(diào)劑而引入的襯底噪聲，都是不可 忽略的，它們對(duì)放大器的噪聲性能具有很大的影響。圖 23 為考慮柵阻噪聲和襯底噪聲的 MOS 管噪聲模型。 GSDngibsmb vggsC gsm vg ndiGRGi or SU Bi SU BR bsV 圖 23 考慮柵熱噪聲和襯底噪聲的 MOS噪聲模型 [1] 兩端口網(wǎng)絡(luò)噪聲理論 對(duì)于一個(gè)含有噪聲的二端口網(wǎng)絡(luò)，將噪聲用一個(gè)和信號(hào)源串聯(lián)的噪聲電壓源和一個(gè)并聯(lián)的噪聲電流源表示，從而將該網(wǎng)絡(luò)看作無(wú)噪聲網(wǎng)絡(luò)。二端口網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)導(dǎo)納為 sY 及等效的并聯(lián)噪聲電流源 2ni 構(gòu)成的噪聲源驅(qū)動(dòng)。見(jiàn)圖 24 所示 [1,2]。 含 有 噪 聲 的二 端 口 網(wǎng) 絡(luò)Y ssi含 有 噪 聲 的二 端 口 網(wǎng) 絡(luò)Y ssi nvni( a )( b ) 圖 24 有噪兩端口網(wǎng)絡(luò)和它的等效表示形式 合理假設(shè)噪聲源和二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲功率不相關(guān)，可知噪聲系數(shù)的表達(dá)式為 （推導(dǎo)過(guò)程可以參考附錄 A） ： 南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 222snsnsivYiiF ???? () 考慮 nv 和 ni 之間可能的相關(guān)情形，把 ni 表示成 ci 和 ui 兩個(gè)分量之和。 ci 與 nv 相關(guān)， ui 不相關(guān)，設(shè) ncc vYi ?? ，可得： ? ? ? ?222221sncsusncsusivYYiivYYiiF ?????????? () 公式 ()包括了三個(gè)獨(dú)立的噪聲源，每個(gè)都可以看成是一個(gè)等效電阻或電導(dǎo)產(chǎn)生的熱噪聲： kTBvR nn 42? () kTBiG uu 42? () kTBiG ss 42?