无线接收机用CMOS低噪声放大器的研究

论文摘要

近些年来,无线本地局域网在家庭和生活中的作用在世界范围内得到高速发展,无线宽带通信的发展对无线接收机（例如适用于802.11a无线协议）提出了越来越高的要求。而基于CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺的射频集成电路具有着广泛的市场和发展前景,无线接收机中的关键模块低噪声放大器（Low Noise Amplifier）则成为热点中的热点。作为接收机的第一级,低噪声放大器的性能对整个接收机系统的性能起着至关重要的作用,因为整个系统的信噪比（SNR）很大程度上取决于LNA的噪声系数（NF）和增益。因此设计性能良好的LNA成为无线接收机设计的一个重要目标。相对而言,国内的研究开展较晚,与国外相比还存在一定差距。因此,开展本课题的研究具有重要意义。本项目受到国家自然科学基金支持。本论文首先简要介绍了传统源极电感负反馈输入匹配结构的工作原理,接着分析了该电路结构的优点以及缺点,然后针对其缺点,在保留结构优点的基础上做出改进设计:利用一个小值LC网络代替大感值的栅极电感Lg,同时移除源极负反馈电感Ls。采用这种改进型输入匹配结构,该文基于0.18μn BSIM3模型设计了一种适用于802.11a无线接收机用的宽带（5.1GHz-5.8GHz）CMOS低噪声放大器（LNA）。通过ADS设计验证的结果表明:该LNA在工作频带内可以达到15dB的增益,2.75-3.65dB的噪声系数,-10dBm的1dB压缩点以及良好的稳定性。虽然输入匹配由于移除源极负反馈电感Ls受到一定影响,但是有利于降低噪声系数并减小实际制作的芯片面积,并且,工艺上电感值小的片上螺旋电感更易实现,该设计可以应用到工作频率在5.1—5.8 GHz的无线接收机中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 无线接收机与低噪声放大器简介
• 1.1.2 低噪声放大器的主要性能指标
• 1.1.3 无线接收机对低噪声放大器的设计要求
• 1.2 低噪声放大器的研究进展
• 1.2.1 常见的电路结构和工艺选择
• 1.2.2 CMOS低噪声放大器设计的未来趋势
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 低噪声放大器设计的基本原理
• 2.1 概述
• 2.2 源极电感负反馈结构
• 2.2.1 输入阻抗匹配分析
• 2.2.2 最优化噪声分析
• 2.3 MOSFET的设计模型
• 2.3.1 MOSFET的噪声模型
• 2.3.2 MOSFET的散射参量（S参量）
• 2.3.3 MOSFET的MILLER效应
• 2.3.4 深亚微米MOSFET器件模型
• 第三章 对传统源极电感负反馈结构的改进设计
• 3.1 传统源极电感负反馈结构的缺点分析
• 3.2 基于传统输入匹配结构做出的改进
• 第四章 适用于802.11a低噪声放大器的总体设计与仿真
• 4.1 电路设计软件ADS简介
• 4.2 设计目标
• 4.3 低噪声放大器的总体电路设汁
• 4.3.1 偏置电路设计
• 4.3.2 改进的电路结构对输入阻抗匹配的影响
• 4.3.3 噪声指标分析与设计
• 4.3.4 放大电压增益指标分析与设计
• 4.3.5 线性动态指标分析与设计
• 4.3.6 工作稳定性设计
• 4.4 ADS仿真与优化
• 4.5 与现有设计的对比工作
• 4.6 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及获奖