【正文】 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(xiàng)，第一級輸出和第二級輸出的電壓表達(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 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(xiàng)有 1? 、 2? 、 212 ??? 、 122 ?? ? 。由此可知，在 IP3 點(diǎn)處： 43 331 imim VaVa ? () 三階截點(diǎn)的輸入信號幅度為： 南京郵電大學(xué) 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(diǎn)與三階交調(diào)點(diǎn)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(diǎn)的輸入電平要比三階交調(diào)點(diǎn)電平約低 10dB。 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(xiàng)的頻率幅度為 43 33 imVa 。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)所對應(yīng)的輸入功率表示為 IIP3，對應(yīng)的輸出功率表示為 OIP3。 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)。如圖 27 所示。在射頻電路中，常用 1dB 壓縮點(diǎn)來度量一個放大器的線性度。在一般的情況下， 03?a 。 當(dāng)信號的幅度大到器件的高次諧波項(xiàng)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(xué) 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(dǎo)為： 2311 43 imimSm VaaVIg ??? () 由式 ()可以知道， 大 信號 的 平均跨導(dǎo)與輸入信號幅度 imV 有關(guān)。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(xiàng)。但是，在實(shí)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(yīng)，對輸出端漏極電流進(jìn)行傅立葉變換，將會得到一個三次和更高的諧波項(xiàng)。在本小節(jié)中，將會對共源電路進(jìn)行分析，得出一般化的結(jié)論。常用 1dB 壓縮點(diǎn)和三階交調(diào)點(diǎn)來描述電路的線性度。低噪聲放大器作為接收機(jī)的第一級，其非線性性能也是放大器一個很重要的指標(biāo)。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(yīng)用。 5)選用合適的放大電路組態(tài)。接收機(jī)或放大器的寬度增大時，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 14 內(nèi)部噪聲也增大。 4)選擇合適的工作帶寬。當(dāng)存在著最佳信號源內(nèi)阻 soptZ 時 ，放大器的噪聲系數(shù)最小。 3)選擇合適的信號源內(nèi)阻。 晶體管放大級的噪聲系數(shù) nF 和晶體管的直流工作點(diǎn)有著一定的關(guān)系。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。 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。 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。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。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。從式 ()可以知道，最小噪聲 minF 也會隨著 T? 的不斷提高而降低。對于長溝道晶體管， 1?? ；當(dāng)溝道長度減小時， α 降低，因此， α表示了晶體管工作偏離長溝道特性的程度。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)。由于這兩 種噪聲都是源于同一種物理效應(yīng)（溝道電阻熱噪聲），它們之間存在一定的相關(guān)性，它們之間的相關(guān)系數(shù)可以定義為： 南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 11 22*ndngndngiiiic??? () c 是一個純虛數(shù)，對于長溝道器件，其值為 ；對于短溝道器件，它的值介于 到 之間。由 MOS 噪聲模型這一節(jié)可知， MOS 晶體管的漏端溝道電流熱噪聲和柵噪聲是主要考慮的噪聲源。 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 MOS 管的噪聲和系統(tǒng)的噪聲系數(shù)進(jìn)行了分析。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)，即與信號源內(nèi)阻和信號源噪聲溫度有關(guān)。在實(shí)際的應(yīng)用中，都需要使用多個有噪網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)一個特定功能的系統(tǒng)，如圖 25 所示，是一個多級級聯(lián)的噪聲網(wǎng)絡(luò)。從式 ()可以看出，它表示的是一個恒噪聲系數(shù)曲線，或者稱為恒噪聲系數(shù)圓。 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 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 四個噪聲參數(shù)確定。 由式 ()知，一旦一個給定的二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性己用它的四個噪聲參數(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。 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 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 兩個分量之和。二端口網(wǎng)絡(luò)由一個導(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。圖 23 為考慮柵阻噪聲和襯底噪聲的 MOS 管噪聲模型。在研究MOS 管的噪聲時，可以忽略其它噪聲的影響。柵噪聲電流是通過柵源電容 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 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”來表示。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。其等效電路如圖 22 所示。 Van der Ziel 考慮了溝道的分布特性提出了兩個噪聲源來表征的模型 [1]。由于柵電容的存在，溝道電阻的分布特性會將 沿溝道方向局部產(chǎn)生的熱噪聲通過局部柵電容耦合到柵極上去。尤其是 MOSFET，在強(qiáng)反型區(qū)，表面溝道就是一個電阻，且溝道電流主要是由偏移電流構(gòu)成。 在集成電路的設(shè)計中，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。當(dāng)負(fù)載與信號源內(nèi)阻匹配時，負(fù)載能夠得到噪聲的最大輸出功率。計算一個有噪電阻在頻帶寬度為 B 的線性網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的噪聲時，可以看作是阻值為 R 的理想無噪電阻與一有噪聲電流源并聯(lián)，或阻值為 R 的理想無噪電阻與一個噪聲電壓源串聯(lián)，如圖 21 所示。由于幾 乎沒有絕對零度的環(huán)境，因而導(dǎo)體中的熱噪聲無法避免。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。 本文研究的 器件噪聲類型 在射頻集成電 路的設(shè)計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效應(yīng)晶體管 )等。如果系統(tǒng)是無噪的，不管系統(tǒng)的增益多大，輸入的信號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 5 沒有添加任何噪聲，因此輸入輸出的信噪比相等，相應(yīng)