无线接收机中低噪声放大器的研究

论文摘要

近年来无线通信的迅猛发展推动了学术界和工业界对全集成无线收发机的研究。无线接收机射频前端一度被砷化镓、硅双极、BiCMOS等工艺主宰,但随着CMOS工艺特征尺寸的减小和工艺技术的不断进步,CMOS工艺应用于射频前端可达到较好的性能,所以全集成的CMOS无线收发机也已成为一个研究焦点。由于集成射频前端的发展需要经历一个过程,使得它和分立射频器件将在很长时期内同时存在。无线接收机的第一个有源模块是低噪声放大器,它要把从天线接收的微弱的信号进行放大,所以它的性能尤其是噪声系数将直接影响整机的效果。所以对CMOS低噪声放大器和分立低噪声放大器模块的研究具有一定的实用价值。本文分析了低噪声放大器的设计理论、噪声理论、CMOS工艺中的无源元件以及亚微米的MOS管结构。对螺旋电感的几何参数与Q值的关系进行了分析;基于TSMC 0.18um RF CMOS工艺设计了一种插入级间匹配电感的差分低噪声放大器,并对级联级栅宽的选择在传统方法基础上做了优化,仿真表明:在400M带宽内增益大于18.36dB、中心频率增益为19.99dB、噪声系数为1.49dB、输出1dB压缩点为10dBm、输出三阶交调点为19dBm;同时也对分立低噪声放大器进行了研究,并设计了两个分立低噪声放大器,其中一个是用分立器件匹配设计的窄带的低噪声放大器,另一个是用微带线匹配设计的宽带低噪声放大器,增益和噪声系数等参数达到了预期的目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 CMOS 射频集成电路的发展
• 1.1.2 低噪声放大器在收发机的体系结构中的作用
• 1.2 低噪声放大器的研究现状
• 1.3 射频集成电路设计的EDA 工具
• 1.3.1 微波电路仿真软件
• 1.3.2 电磁场数值方法--模拟工具Momentum 和HFSS
• 1.4 论文的主要工作
• 2 射频电路基础及CMOS 器件模型
• 2.1 射频电路基础
• 2.1.1 S 参数
• 2.1.2 Smith 圆
• 2.2 射频电路的增益和线性度
• 2.2.1 功率增益
• 2.2.2 线性度
• 2.3 CMOS 电阻和电容射频模型
• 2.3.1 电阻
• 2.3.2 电容
• 2.4 射频集成电路的关键元件-平面螺旋电感
• 2.4.1 平面螺旋电感等效模型和计算
• 2.4.2 仿真和分析
• 2.5 射频噪声理论与CMOS MOSFET 模型
• 2.5.1 固态器件中的噪声源
• 2.5.2 二端口网络噪声理论及级联系统
• 2.5.3 深亚微米MOSFET 噪声模型
• 2.5.4 深亚微米噪声模型
• 2.5.5 MOSFET 两端口网络最小噪声的推导
• 2.6 本章小结
• 3 低噪声放大器的设计理论和方法
• 3.1 LNA 设计的指标
• 3.2 LNA 的基本拓扑结构
• 3.3 射频电路稳定性判定及稳定化
• 3.3.1 稳定性判定圆
• 3.3.2 稳定区域的判定
• 3.3.3 放大器稳定性判据
• 3.3.4 放大器稳定性措施
• 3.4 按恒定增益指标设计的方法
• 3.4.1 单向化设计
• 3.4.2 非单向化双共轭匹配的设计
• 3.4.3 工作功率增益和资用功率增益
• 3.5 按低噪声设计法
• 3.6 宽带低噪声放大器的设计方法
• 3.7 本章小结
• 4 CMOS 低噪声放大器的设计
• 4.1 CMOS 差分Cascode 低噪声放大器
• 4.1.1 源极负反馈LNA 的推导
• 4.1.2 共源MOSFET 管Cgd 的Miller 效应
• 4.2 源级负反馈Cascode 差分LNA
• 4.3 射频LNA 功耗约束噪声优化
• 4.3.1 级联级栅宽W2 的选择
• 4.4 级间匹配电感的Cascode 差分LNA
• 4.5 本章小结
• 5 分立低噪声放大器的设计
• 5.1 窄带LNA 的设计
• 5.1.1 偏置电路和稳定性设计
• 5.1.2 匹配和优化设计
• 5.2 PCB 设计
• 5.2.1 射频PCB 设计及注意事项
• 5.2.2 本文PCB 设计
• 5.3 宽带LNA 的设计
• 5.4 本章小结
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录