一种CMOS射频低噪声放大器的设计

论文摘要

随着无线通信技术和CMOS工艺的不断发展,采用CMOS工艺实现射频集成电路能够做到低成本、低功耗、高集成度的要求,本文将采用CMOS工艺对无线射频前端电路中的一个重要模块—低噪声放大器进行设计,设计要求低噪声放大器应当具有低噪声、低功耗、阻抗匹配、高线性度的特点。由于CMOS无源器件极大地影响着射频集成电路的性能,本文首先讨论了在TSMC0.18μm CMOS工艺下的无源器件,同时本文基于MOSFET的噪声源及短沟道器件的物理效应,系统分析了低噪声放大器的噪声性能,详细研究了漏极电流噪声和栅极感应噪声,通过对MOSFET的噪声分析,提出了MOSFET高频噪声模型,并分析MOSFET的各个噪声源对于电感源极负反馈低噪声放大器的影响并得到了计算其噪声系数的表达式。本文还对低噪声放大器的非线性进行分析,并利用volterra级数分析了共源极放大器的非线性,定性地指出低噪声放大器设计中功耗、噪声、增益和线性度之间存在的制约关系。本文通过分析各种低噪声放大器的结构,指出共源共栅电感源极负反馈结构相比较其他结构的优点,详细分析了共源共栅电感源极负反馈结构的噪声性能,提出了在低噪声放大器的设计中,需要在噪声系数、功耗和栅过载电压之间折中考虑,基于以上分析,本文讨论了共源共栅电感源极负反馈结构的噪声优化技术,其中重点讨论了在功耗约束的情况下的噪声优化技术。。最后基于蓝牙通信的应用,本文采用了TSMC 0.18um工艺设计了一个工作频率在2.45GHz的单端结构低噪声放大器,该放大器的噪声系数为2.375dB,三阶交调点为-8.48dBm,对于1.8V供电电压,功耗为9.8mW,这个结果表明,提出的理论分析可以较为精确的预测低噪声放大器的噪声性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题意义
• 1.2 无线射频前端结构概述
• 1.3 CMOS低噪声放大器的性能指标
• 1.4 本文的研究内容及工作安排
• 第二章 CMOS无源器件
• 2.1 电感
• 2.2 MIM电容
• 2.3 电阻
• 2.4 本章小结
• 第三章 MOSFET设计模型及噪声分析
• 3.1 MOSFET中的一阶效应
• 3.2 MOSFET的二阶效应
• 3.2.1 背栅效应
• 3.2.2 沟道长度调制效应
• 3.2.3 亚阀值区工作情况描述
• 3.2.4 垂直电场方向上载流子迁移率变化
• 3.3 短沟道器件中的效应
• 3.3.1 载流子速度饱和效应
• 3.3.2 热载流子效应
• 3.3.3 阀值电压下降
• 3.4 射频下MOSFET特性
• 3.4.1 MOSFET中的电容
• 3.4.2 栅极分布电阻
• 3.4.3 沟道电阻与过渡时间效应
• 3.5 MOSFET射频小信号模型
• 3.6 MOSFET高频噪声模型
• 3.7 MOSFET二端口网络噪声分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 低噪声放大器的非线性分析
• 4.1 非线性定义
• 4.2 非线性造成的影响
• 4.2.1 谐波失真
• 4.2.2 增益压缩（1dB）压缩点
• 4.2.3 互调失真
• 4.2.4 交调失真
• 4.3 volterra级数分析LNA非线性
• 4.3.1 volterra级数简介
• 4.3.2 共源极三阶交调表达式的推导
• 4.4 本章小结
• 第五章 CMOS射频低噪声放大器设计
• 5.1 低噪声放大器简介
• 5.2 CMOS低噪声放大器的电路组态
• 5.2.1 输入端并联电阻共源结构
• 5.2.2 跨导匹配共栅放大器结构
• 5.2.3 并联—串联反馈结构
• 5.2.4 电感源极负反馈结构
• 5.3 cascode结构低噪声放大器
• 5.3.1 cascode放大器噪声分析
• 5.4 低噪声放大器的噪声优化
• m优化'>5.4.1 固定G_m优化
• D优化'>5.4.2 固定P_D优化
• 5.5 CMOS射频低噪声放大器的实现
• 5.5.1 CMOS射频低噪声放大器的设计步骤
• 5.5.2 CMOS射频低噪声放大器的仿真
• 5.6 版图设计原则
• 5.7 本章小结
• 第六章 工作总结及建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 二端口网络噪声理论
• 附录B 电感源极负反馈结构噪声系数推导
• 攻读硕士学位期间发表的论文