【正文】 多問(wèn)題需要研究和解決，尤其是射頻 MOS 管的建模問(wèn)題以及高性能電感的實(shí)現(xiàn)。對(duì)這些問(wèn)題的研究和解決，將極大地 降低射頻集成電路的設(shè)計(jì)難度。CMOS 射頻集成電路面臨的主要問(wèn)題就是無(wú)法得到高品質(zhì)因數(shù) (Q)的無(wú)源器件。 在電路實(shí)現(xiàn)方面，一方面需要完善和提高各個(gè)模塊的性能，另一方面，需要研究將整個(gè)前端整合到一個(gè)芯片上時(shí)各個(gè)模塊之間的協(xié)同考慮和襯底的串?dāng)_問(wèn)題。 隨著特征尺寸的不斷縮小， MOS 晶體管的截止頻率得到了提高，從而可以較為容易地實(shí)現(xiàn)較高工作頻率的射頻集成電路和提高、改善 LNA 電路中的各種指標(biāo)。這些問(wèn)題都必須認(rèn)真考慮。為了獲得較好的性能指標(biāo)，一般采用提高電路中各元器件的靜態(tài)工作點(diǎn)，以犧牲功耗來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能。在本文中，完成了 MOS 晶體管的噪聲分析，實(shí)現(xiàn)了噪聲、輸入同時(shí)匹配的理論研究和電路的實(shí)現(xiàn)。為了減小漏電流三階頻率項(xiàng)，提出消除三階項(xiàng)的偏置電路等等。在本文中，主要是完成低電壓低功耗條件下的低噪聲研究，其次再研究實(shí)現(xiàn)高線性度的方法。 第二章 列出 射頻電路噪聲理論和線性度分析。低噪聲放大器的噪聲性能還對(duì)接收機(jī)的動(dòng)態(tài) 工 作范圍起著重要的影響，可見(jiàn)，噪聲性能優(yōu)化是低噪聲放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在這一章節(jié)中，也 說(shuō)明 了 LNA 的線性度計(jì)算方法。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 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)。 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。 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)和非線性失真。 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。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)。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)。第三章主要論述線性度的基本理論。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。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。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。有噪系統(tǒng)的噪聲系數(shù)均大于 1。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。 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。這種噪聲最早是 Johnson 于 1928 年由實(shí)驗(yàn)觀察得到，其后 Nyquist 又從理論角度進(jìn)行了定量的分析。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。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)。 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。因而可以推斷， MOSFET 的噪聲主要是由溝道電組的熱噪聲形成。 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。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 。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]。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。 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。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。 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)。見(jiàn)圖 24 所示 [1,2]。 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? () 利用上面三式，可以將噪聲因子用阻抗和導(dǎo)納表示為： snscu G RYYGF 21 ???? () 式中 ，已將每個(gè)導(dǎo)納分解成電導(dǎo) G 和電納 B 的和。即只要對(duì)噪聲源導(dǎo)納求一階導(dǎo)數(shù)并使它為零，必有： optcs BBB ??? () optus GGRGG ??? 2 () 可見(jiàn)，為了使噪聲因子最小，應(yīng)當(dāng)使噪聲源的電納等于相關(guān)電納的負(fù)值，而噪聲源的電導(dǎo)等于公式 ()的值。由于這四個(gè)噪聲參數(shù)容易從簡(jiǎn)單化的器件模型中計(jì)算得到，噪聲因子的理論計(jì)算就變得簡(jiǎn)單明了。 多級(jí)及聯(lián)網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)計(jì)算 由附錄 A 可以知道，每一個(gè)有噪網(wǎng)絡(luò)都可以由三個(gè)參數(shù)來(lái)描述，即噪聲等效溫度 Te、噪聲系數(shù) F、額定功率增益 Gp。 111peGFT222peGFT333peGFTsV sR 圖 25 多級(jí)有噪線性網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián) [2] 設(shè)第一級(jí)輸入噪聲的功率為 BkTNi 0? ，根據(jù)等效噪聲溫度的定義，第一級(jí)的輸出噪聲功率是： BkTGBkTGN epp 11011 ?? () 第二級(jí)輸出噪聲功率為： ???????? ????? 12102122122 peeppepp GTTTkBGGBkTGNGN () 將前兩級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的等效噪聲溫度設(shè)為 eT ，因而兩級(jí)輸出的噪聲功率 2N 又可以表示為： ? ?epp TTkBGGN ?? 0212 () 其中 121peee GTTT ?? () 由附錄 C 中的推導(dǎo)又可以知道等效噪聲溫度與 噪聲系數(shù)的關(guān)系，即 ? ? 01TFTe ?? () 南京郵電大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 由式 ()和 ()可以得到兩級(jí)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)表達(dá)式： 121 1pGFFF ??? () 由此可以推導(dǎo)出，多級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí)的等效噪聲溫度和噪聲系數(shù)分別為： ????? 21 3121 pp epeee GG TGTTT () ??????? 213121 11 ppp GGFGF