增益自适应CMOS射频低噪声放大器芯片的设计研究

论文摘要

在近十年来,通信技术以惊人的速度发展,预计到2010年,无线通信用户将超过有线通信用户达到10亿。这种潜在的市场造成了对射频集成电路的巨大需求。随着低成本、低功耗的CMOS工艺的线宽不断缩小,频率特性和噪声特性不断改善,CMOS工艺已开始用来设计制造射频集成电路。低噪声放大器(LNA)作为射频通信系统的最前端,直接感应天线接收到的微弱信号,并对其放大,然后传递给后级进行处理,工作频率最高,是整个接收通道关键的模块之一,其性能影响整个接收机的性能。本论文对此关键模块—低噪声放大器(LNA)展开了一些研究和设计工作,设计了一款适用于GSM/DCS1800双频段手机RF部分的增益自适应CMOS低噪声放大器,适合于工作环境变化大的便携式无线通信设备,避免了后端输出信号超出混频器线性范围。本文设计的基于TSMC—0.18μmCMOS工艺的单芯集成的增益自适应低噪声放大器电路经ADS软件仿真,结果表明,LNA的噪声系数为0.2dB,增益自适应范围从0dB到17dB,完全满足GSM/DCS1800双频段手机中的RF部分的指标要求。本文最后还对射频集成电路的版图设计技术进行了论述,并用TSMC—0.18μmCMOS工艺PDK画出了整个电路版图。由于本文设计的适用于DCS1800手机RF部分的增益自适应LNA电路是通过改变输出网络阻抗的方法实现的,因此几乎不降低LNA噪声系数等关键性能指标,提高了增益自适应LNA的综合性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 低噪声放大器（LNA）中的关键技术问题
• 1.3 LNA目前的研究进展
• 1.4 本论文的主要研究工作和章节安排
• 第二章 高频低噪声放大器设计理论基础
• 2.1 噪声的理论基础
• 2.1.1 噪声的表示和计量方法
• 2.1.2 电子器件中的噪声
• 2.1.3 经典二端口网络噪声理论
• 2.1.4 多级线形网络级联的噪声系数
• 2.2 MOS管的高频噪声
• 2.2.1 漏极电流噪声
• 2.2.2 MOS管的射频模型
• 2.2.3 MOSFET二端口网络噪声
• 2.3 各种小信号放大器原理
• 2.4 本章小结
• 第三章 共源共栅LNA的基本结构及其原理
• 3.1 电感源极负反馈共源共栅LNA基本结构及其设计原理
• 3.2 功耗约束下的噪声优化技术
• 3.3 本章小结
• 第四章 自适应增益放大器原理
• 4.1 增益自适应调节原理
• 4.2 本自适应增益LNA实现方法
• 4.3 本章小结
• 第五章 增益自适应差分LNA的芯片设计
• 5.1 性能设计要求
• 5.2 总体电路设计
• 5.3 LNA电路模块设计
• 5.3.1 噪声的优化
• 5.3.2 增益
• 5.4 增益自适应控制模块设计
• 5.5 性能仿真
• 5.6 本章小结
• 第六章 版图设计
• 6.1 TSMC-0.18μm RF-CMOS工艺PDK版图介绍及器件版图
• 6.2 整体版图布局
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 附录A TSMC-0.18μm MOS器件模型参数
• 附录B 硕士期间发表的论文
• 致谢