cmos低噪声放大器的分析研究

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1、顾二I：论文CMOS低噪声放人器的分析研究产品将用于人们生活的方方面面。可是，想要设计出兼具高增益、低噪声及低功耗的CMOSLNA是非常困难的，一般只能选择“trade．off'’折衷。一直到上个世纪九十年代中期，CMOS射频LNA噪声系数都在4-5dB左右【引，直到ThomasH．Leel6】从电流热噪声与栅噪声两方面入手，分析了电感源级负反馈低噪声放大器的噪声性能，得出这种结构能同时实现噪声匹配与输入功率匹配的结论，然后为了降低直流功耗，ThomasH．Lee等人又提出在功率约束下噪声优化方法，在满足噪声最优的情况下，功耗又得到了降

2、低。在此基础上，文献17J在第一级晶体管的栅极和源极之间加上并联电容，解除了不加这个电容LNA功耗与噪声性能之问的牵制关系，电路性能能到进一步提高。表1．1国外低噪声放大器研究现状NFGainIP3Power石作者Technology(dB)(dBm)(mW)(GHz)Choong·YulCha0．359m2．4519．313．226．45．2etall81RyuichiFujimoto0．25um1．88．98．413．87etail91SeyedHosseinetaill0]0．189m1．416．60，695．2Chih-lung

3、Hsiao0．181．tm3．2215—19．82．4etal【111表1．1，给出了国外近几年来低噪声放大器的设计指标，我们可以看出，随着工艺的发展，低噪声放大器的噪声系数大大降低，放大器的增益也得到了提高。随着对LNA增益和频率的要求越来越高，人们开始关注多级级联放大器电路，Masud等人【l2J用两级放大来提高增益，首次设计实现了90nm：【艺下的40GHzLNA。Doan等人利用三级共源共栅级，采用0．139m标准CMOS工艺制作了第一块60GHzCMOSLNA，增益达到了12dB，噪声系数为8．8dB【I引。级数的增加使放大器

4、的增益得到了改善，但同时也增加了整个电路的功耗，研究低功耗、低电压LNA成为了近几年研究的热点。通常意义上的低电压指的是低于1V的工作电压，但是偏置电压的降低会导致系统射频性能的降低，因为低噪声放大器的噪声系数和NMOS的特征频率成反比17儿Mj，管子的特征频率和偏置电压之问成『F比，器件的线性度和增益和偏置电压也近似呈现正比关系【I川，那么偏置电压减小理论上将导致噪声系数升高，增益减小，线性度变差。由此分析可得，想要降低系统得功耗，单纯降低偏置电压是不可行的，一般来讲主要从1绪论硕二I：论文改变电路的结构或者降低系统电路本身的阈值电压

5、来实现。文献【l6JIl7J采用了电流复用技术来使功耗得到降低，两个共源管的偏置电流由同一偏置电流提供，其能使电路功耗降低一半。文献【I引用跨导增强技术提出了一种低功耗的共栅放大器，该结构利用此技术获得了很低功耗，后又采用单片变压器反馈技术，在很低的功耗下达到很好的功率匹配和噪声匹配。文献【I州的折叠结构低噪声放大器，实际上就是多级放大电路的级联，通过改进两级放大器的输入、输出或者中间级匹配网络来获得良好的电路性能。文献【20j采用亚阈区技术，即降低偏置电压让MOS管工作在弱反型区，这种结构能达到很低的电路功耗，与强反型器件相比，亚阈区

6、器件的非线性更为严重。文献【2l】【22J还提出了正向体偏置技术，其主要思想就是通过改变衬底和源极之间的电势差来改变阈值电压，通过提高衬底的电势使衬底和源级之间为正电压，即MOS管体端为正向偏置。由于MOS管的阈值电压降低，其偏置电压也可以同时降低，而阈值电压的降低为低电压设计提供了条件。国内对CMOS低噪声放大器的研究起步较晚，但是在国家大力扶持集成电路产业的政策下，2000年开始，中科院微电子研究所【23J研制的CMOS射频前端，主要针对开放的6-9GHz，采用0．189m工艺，制造出超宽带低噪声放大器，增益大于18dB，反射系数均

7、小于一10dB。东南大学毫米波国家重点实验室已经研制成功频率在25GHz以上的低噪声放大器，杭州电子科技大学I：24】【25J近两年来将重点放在CMOS工艺射频前端，对超宽带、低功耗LNA和片上接收系统进行了研究和版图制作。随着新的理论，新的结构不断出现，对基于CMOS工艺的低噪声放大器的研究对我国在新一代无线通信技术方面掌握主动权具有重要意义。1．3本文主要研究内容本文仔细分析基于CMOS工艺的低噪声放大器的设计方法，采用电感源极负反馈结构保证低噪声放大器输入匹配和噪声性能，然后为了实现增益的提高，搭建两级放大电路，最后用直流分离和电

8、流复用技术扩展主结构，实现低电压、低功耗LNA。仿真采用ADS软件和MATLAB软件相结合，工艺为TSCM0．189mRFCMOS。本文共分为五章，主要内容如下：第一章介绍了课题的研究背景及意义，并对目前国