【導讀】蒅蒃螈芅膅蚈蚄芄芇蒁肅芄葿螇罿芃薂蕿裊節(jié)芁螅螁袈莄薈蚇袇蒆螃羅羇膆薆袁羆羋螁螇羅莀薄螃羄薂莇肂羃節(jié)蚃羈莄蒅襖蕆蟻螀羈膆蒄蚆肀艿蠆羅聿莁蒂袁肈薃蚇袇肇芃蒀螃肆蒞螆蠆肆蒈蕿羇肅膇螄袃肄芀薇蝿膃莂螂蚅膂蒄薅羄膁膄莈羀膀莆蚃袆膀蒈蒆螂腿膈螞蚈膈芀蒅羆膇莃蝕袂芆蒅蒃螈芅膅蚈蚄芄芇蒁肅芄葿螇罿芃薂蕿裊節(jié)芁螅螁袈莄薈蚇袇蒆螃羅羇膆薆袁羆羋螁螇羅莀薄螃羄薂莇肂羃節(jié)蚃羈莄蒅襖蕆蟻螀羈膆蒄蚆肀艿蠆羅聿莁蒂袁肈薃蚇袇肇芃蒀螃肆蒞螆蠆肆蒈蕿羇肅膇螄袃肄芀薇蝿膃莂螂蚅膂蒄薅羄膁膄莈羀膀莆蚃袆膀蒈蒆螂腿膈螞蚈膈芀蒅羆膇莃蝕袂芆蒅蒃螈芅膅蚈蚄芄芇蒁肅芄葿螇罿芃薂蕿裊節(jié)芁螅螁袈莄薈蚇袇蒆螃羅羇膆薆袁羆羋螁螇羅莀薄螃羄薂莇肂羃節(jié)蚃羈莄蒅襖蕆蟻螀羈膆蒄蚆肀艿蠆羅聿莁蒂袁肈薃蚇袇肇芃蒀螃肆蒞螆蠆肆蒈蕿羇肅膇螄袃肄芀薇蝿膃莂螂蚅膂蒄薅羄膁膄莈羀膀莆蚃袆膀蒈蒆螂腿膈螞蚈膈芀蒅羆膇莃蝕袂芆蒅蒃螈芅膅蚈蚄芄芇蒁肅芄葿螇罿芃薂蕿裊節(jié)芁螅

　　

【正文】 而為了達到最大功率傳輸?shù)臈l件，要求 ? ? gsgss CjCjZ ?? ??? * () 由式 ()可知，隨著 CMOS 工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，晶體管的特征尺寸不斷縮小， T?不斷提高。從式 ()可以知道，最小噪聲 minF 也會隨著 T? 的不斷提高而降低。所以，隨著工藝的進步， minF 會減 小。從式 ()也可以知道，系統(tǒng)工作的頻率 ? 越大，電路的噪聲系數(shù)將會越大。因此設(shè)計一個射頻電路，使用越先進的工藝技術(shù)，電路的噪聲性能將會越好；對于同一種工藝，設(shè)計一個頻率較低的射頻電路比設(shè)計一個較高頻率的電路噪聲特性好。以上的推導中，忽略了 MOS 的柵極阻抗噪聲、襯底噪聲及其它噪聲。在使用手動計算的分析過程中，上述的噪聲模型已經(jīng)可以接近實際。 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。 1)選用低噪聲器件和元件。 在放大或其他電路中，電子器 件的內(nèi)部噪聲起著重要作用。因此，改進電子器件的噪聲性能和選用低噪聲的電子器件，就可大大降低電路的噪聲系數(shù)。在電路設(shè)計中盡量不使用電阻 器件 ，使用電感或電容來替代電阻在電路中的作用。 2)正確選擇晶體管放大級的直流工作點。 晶體管放大級的噪聲系數(shù) nF 和晶體管的直流工作點有著一定的關(guān)系。一般情況下，電路的噪聲系數(shù)隨著偏置電流增大而減小。 3)選擇合適的信號源內(nèi)阻。 第一級放大器或混頻器是與信號源相聯(lián)的。當存在著最佳信號源內(nèi)阻 soptZ 時 ，放大器的噪聲系數(shù)最小。共源電路與共柵電路比較，共源電路的噪聲特性好，常用于放大器的第一級。 4)選擇合適的工作帶寬。 噪聲電壓都與通帶寬度有關(guān)。接收機或放大器的寬度增大時，接收機或放大器的各種南京郵電大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 14 內(nèi)部噪聲也增大。因此，必須嚴格選擇接收機或放大器的帶寬。 5)選用合適的放大電路組態(tài)。 單級電路的放大增益一般不能滿足設(shè)計的需要，因而需要兩級級聯(lián)。共柵電路的隔離度較好，所以，共源共柵電路得到了廣泛的應用。 MOS LNA 線性度分析 在設(shè)計低噪聲放大器中，噪聲是設(shè)計中首先考慮的一個因素。低噪聲放大器作為接收機的第一級，其非線性性能也是放大器一個很重要的指標。在完成低噪聲特性的設(shè)計后，還必須考慮放大器的線性度和抗干擾能了。常用 1dB 壓縮點和三階交調(diào)點來描述電路的線性度。盡管整個接收機的非線性常常由后面的幾級如混頻器等所限制，仍然有些應用場合要求低噪放有很高的線性度。在本小節(jié)中，將會對共源電路進行分析，得出一般化的結(jié)論。 1dB 壓縮點 MOS 管是一個電壓控制電流的晶體管，在簡化的輸入電壓與輸出電流的特性等效中，漏極電流與源柵電壓成二次方正比關(guān)系。但是，在實際的使用中，由于 MOS 管存在著很多其它難以消 除、簡化的效應，對輸出端漏極電流進行傅立葉變換，將會得到一個三次和更高的諧波項。 設(shè)放大器的輸入端只有一個余弦波信號 ? ? tVtv iimi ?cos? ，在輸出端可以得到相應的輸出電流，但是電流中含有多次諧波。由于高次諧波的幅度會隨著諧波次數(shù)的增大而減小，所以只需要考慮到 3 次諧波項。則可以得到一個輸出電流交流表達式 ??????????? ???????tVatVatVaVaVatVatVatVaiiimiimiimimimiimiimiims??????3c o s42c o s2c o s432c o sc o sc o s3322331223332221 () 由上式可以知道，輸入一個單一頻率信號，通過一個非線性的器件，在輸出端會產(chǎn)生不僅含有基波頻率 i? 的頻率項，而且還會產(chǎn)生 N 次諧波項。 當信號的幅度大到器件的高次諧波項不能忽略的時候，由式 ()可以得到基波信號電流為 ? ?tvVaatVaVai iimiimimS ?????? ???????? ?? 2313311 43c os43 ? () 其幅度為 南京郵電大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 15 3311 43 imimS VaVaI ?? () 由此可以得到， 大 信號的平均跨導為： 2311 43 imimSm VaaVIg ??? () 由式 ()可以知道， 大 信號 的 平均跨導與輸入信號幅度 imV 有關(guān)。由此與可以看到，電路的非線性不僅在于出現(xiàn)了諧波，更重要的是它的基波增益中出現(xiàn)了與輸入信號幅度有關(guān)的失真項 2343 imVa。在一般的情況下， 03?a 。當輸入信號的幅度增大到一定的程度的時候，mg 會減小，這種現(xiàn)象就是增益壓縮。在射頻電路中，常用 1dB 壓縮點來度量一個放大器的線性度。它的定義就是 ，為使得電路的增益比線性放大器增益下降 1dB 所對應的輸入信號的幅度或者對應的信號能量。如圖 27 所示。 1 d Bou tVlo g20 dBomV 1?dBA v /0dBimV 1? inVlog20 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，可以推導出 1dB 壓縮點的數(shù)學表達式。 dBaVaa dBim 1l og2043l og20 12 131 ??? ? () 則 1dB 壓縮點的數(shù)學形式為 311 aaV dBim ?? () 由此可以知道，放大器的線性范圍與漏極電流的 1 階項和三階項的比值有關(guān)。 南京郵電大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 16 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，此點所對應的輸入功率表示為 IIP3，對應的輸出功率表示為 OIP3。 當輸入信號為兩個頻率信號，并且這兩個頻率的振幅相等， ? ? ? ?ttVtv imi 21 c o sc o s ?? ?? () 經(jīng)過 MOS 管后，輸出的一次頻率項為： ? ? tVaVatVaVati imimimim 23311331 c os49c os49 ?? ?????? ???????? ?? () 三次頻率組合項為 ? ? ? ?tVatVa imim 12332133 2c os432c os43 ???? ??? () ? ? ? ?tVatVa imim 12332133 2c os432c os43 ???? ??? () 由上述的推導，可以得出三階交調(diào)示意圖，如圖 28。 12? 1? 2?212 ?? ? 122 ?? ? 圖 28 三階交調(diào)示意圖 由式 ()可知沒有失真的傳輸增益為 imVa1 ，由式 ()可知，三階互調(diào)項的頻率幅度為 43 33 imVa 。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： 43 331 imim VaVa ? () 三階截點的輸入信號幅度為： 南京郵電大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 17 313 34 aaVmIP ? () 1 0 l o g P i1 0 l o g P oO I P 3I I P 3I P 3 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： dBVVm I PdBim 31 ????? () 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） ? ?13IIP? ?23IIP1A 2A 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： ? ? ? ?ttVtv imi 21 c o sc o s ?? ?? () 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： ? ? ? ? ? ? ? ? ????? tvatvatvatv iiio 332211 () ? ? ? ? ? ? ? ? ????? tvbtvbtvbtv oooo 3 132 12112 () 南京郵電大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 18 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 1? 、 2? 、 212 ??? 、 122 ?? ? 。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 ? ?ttVa im 211 c o sc o s ?? ? () 第一級輸出的三階項幅度為 ? ? ? ?tVatVa imim 12332133 2c os432c os43 ???? ??? () 第二級電路的基波分量為 ? ? ? ?ttVbatv imo 21112 c o sc o s ?? ?? () 第二級電路的三階項為： ? ? ? ??