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国防科学技术大学硕士学位论文宽带增益可控差分CMOS低噪声放大器

发布时间:2019-10-24 14:16 来源:未知 编辑:admin

  国防科学技术大学硕士学位论文宽带增益可控差分CMOS低噪声放大器设计与分析姓名李松亭申请学位级别 硕士专业 电子科学与技术指导教师 李建成2010 11国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 本文设计了一个应用于卫星直播电视业务的900MHz2250MHz宽带增益可控差分CMOS低噪声放大器。 通过分

  国防科学技术大学硕士学位论文宽带增益可控差分CMOS低噪声放大器设计与分析姓名李松亭申请学位级别 硕士专业 电子科学与技术指导教师 李建成2010 11国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 本文设计了一个应用于卫星直播电视业务的900MHz2250MHz宽带增益可控差分CMOS低噪声放大器。 通过分析传统低噪声放大器的设计缺陷 宽的通信频带与增益之间的矛盾 噪声性能与功耗之间的矛盾 以及增益调整过程中所存在的噪声性能恶化和较大的功耗波动 本文采用了一种比较新颖的低噪声放大器电路结构 即利用滤波器技术和并联峰值结构拓展带宽 然后通过寻找最优的匹配值 给出了一种求解滤波器中无源元件值的算法 这种算法综合考虑了无源元件的可实现性以及对工艺偏差的容忍程度 而且所求元件的值还必须满足一定的回波损耗条件 通过引入Miller电阻和晶体管漏端负反馈技术来实现低噪声放大器的增益可控 在改变低噪声放大器增益时不会引入额外的噪声和造成较大的功耗波动 提高了低噪声放大器的噪声性能和功耗稳定度。 针对并联峰值结构本身存在的带宽和增益之间的矛盾性 为了在保证低噪声放大器宽通信频带的同时获得较高的增益 本文在滤波器之后采用了两级放大电路 很好的克服了这一矛盾 且以理论推导和定性说明为基础 对两级放大电路所要实现的主要性能进行分工 大大降低了各个参数变动时所存在的相互约束关系 同时也为电路的设计带来了便利性。 为了获得高的增益和良好的增益平坦度 本文综合考虑了元件的可实现性、对工艺偏差的容忍能力、对每级放大电路的高低频放大要求 以及对每级放大电路的增益约束 采用了一种新颖的算法来实现对并联峰值结构中每个无源元件数值的搜索。 针对低噪声放大器电路的设计 本文详细的分析了所设计的低噪声放大器中每个晶体管尺寸的确定原则 增益可控的可实现性 以及高线性度的实现方法。 最后 基于对本文低噪声放大器电路设计的分析 给出了本文中低噪声放大器设计的流程 以期对其它的低噪声放大器电路设计有所裨益。本文中低噪声放大器采用TSMC 18μmCMOS工艺设计 工作电压为1 8V 增益控制电压范围为1 3V 6V在带内实现了输入输出阻抗匹配和宽的增益变化范围 并获得了良好的噪声性能、线性度以及较低的功率损耗。 主题词 低噪声放大器 宽带 增益可控 并联峰值 Miller效应 负反馈 源简并 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 broadband variable gain differential LNA Satellitebroadcast TV operating frequencybands 900MHz2250MHz traditionalLNA design flaw conflictbetween communicationband noiseperformance powerconsumption noiseperformance largepower fluctuations adjustmentprocess paperadopts relativelynew LNA circuit namely filtertechnology shuntpeaking structure bestmatch value passivefilter component values algorithmroundly takes passivecomponents processvariation componentsmust also meet certain conditions returnloss Through Millerresistance negativefeedback based transistordrain achieveLNA’s gain control introduceadditional noise causegreater fluctuations powerconsumption gainadjustment process noiseperformance powerstability LNAAiming inherentcontradiction between shuntpeaking structure highergain while ensure widecommunication band paperuses twostage amplifier circuit after twostage amplifier mainperformance laborbased theoreticalanalysis qualitativedescription greatly reducing mutualconstraints among alsobringing circuitdesign convenience obtainhigh gain goodgain flatness paperroundly takes passivecomponents processvariation high lowfrequency amplification requirements eachlevel amplifier gainconstraints eachamplifier novelalgorithm passivecomponents value shuntpeaking structure LNAcircuit design detailedanalysis LNAdesigned eachtransistor gaincontrol highlinearity proposedFinally based LNAcircuit design analysis generalLNA design process benefitother LNA circuits design 18μmCMOS technology 8Voperating voltage 6Vcontrol voltage LNAachieves input outputmatching broadvariable gain ranges moreover acquires excellent noise performance linearity lowpower consumption 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 KeyWords LNA Broad band Variable Gain Shunt peaking Miller Effect Negative Feedback Inductor Degeneration 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 最优化数学方法中的参数值50 输入匹配网络中无源元件数值50 求解并联峰值结构中无源元件值的算法参数值54 并联峰值结构中无源元件的取值54 LNA性能比较59 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 等效噪声模型11 LNA匹配方式13 源简并电感型共源放大器的小信号等效电路14 共源放大器电路图16 Θ和VGSVT对晶体管IP3的影响 18 利用并联反馈技术的宽带LNA20 采用电流分离技术的LNA21 针对图32的改进型电路 22 并联峰值结构23 并联峰值结构频率相应曲线 两级放大器的增益补偿24 两级放大电路的增益频段选取25 LNA整体结构示意图26 10LNA电路实例 28 11LNA电路实例2 30 12可变电阻RC RC1的电路实例 31 LNA电路结构32 噪声系数和ρ、PD的关系曲线 极点ωc、噪声系数NF与Cascode晶体管尺寸的关系曲线 引入Miller效应后的增益可控等效电路图39 一般的负反馈系统41 反馈对线 增益控制级源级负反馈小信号等效电路图42 10VGS VT和Q对增益控制级三阶交调点的影响 43 11在15dBm的线的变化VGS VT与IDS的关系图 45 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 12R5范围的选取 46 13宽带LNA的等效输入网络 47 14不同Req下的噪声系数和跨导的关系 48 15LNA中单端切比雪夫带通滤波器结构 48 16源级跟随器等效小信号电路 50 17输出阻抗匹配电路中偏置电流Iq与晶体管宽度W之间的关系曲线增益控制级电路源端反馈负载幅度 频率响应 54 19LNA增益仿线LNA反向隔离度和噪声系数仿线LNA输入输出回波损耗仿线以及噪声系数随Vcon变化的仿线LNA功耗仿线主增益级、增益控制级以及整个LNA增益的频率响应 59 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 研究背景低噪声放大器 Low Noise Amplifier LNA 通常位于射频接收芯片的第一级 它的功能是在尽可能低地产生噪声的前提下 对射频输入信号进行放大 以降低后面各级模块产生的噪声对信号的影响。LNA除了只引入很少的噪声和提供足够高的增益外 还应该具有较高的线性度 以避免非线性对信号质量的影响。此外 LNA的前级通常为分立的射频带通滤波器 由于滤波器的传输特性与终端所接负载有很大关系 LNA的输入阻抗必须符合滤波器的规定。 LNA位于射频接收芯片的最前端 这就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统性能的影响 还要求有一定的增益 但为了不使后面的混频器过载 产生非线性失真 它的增益又不宜过大。而且由于受传输路径的影响 信号的强弱又是变化的 在接收信号的同时又可能伴随许多强干扰信号混入 因此要求放大器具有足够的线性范围 而且增益最好是可调的 以便在满足混频器线性工作的条件下 尽可能的降低整个系统的噪声系数 稳定输出信号幅度。 宽带技术具有功耗低、速度快、保密性好等优点 在战场通信、精确定位、个人局域网等领域有其独特的优势 。用于宽带接收机的LNA需要满足以下要求在宽带输入范围内实现输入阻抗的匹配以避免能量损耗和对天线的反射干扰 具有低的噪声系数以提高接收机的灵敏度 具有足够的增益幅度和增益平坦度以减少后级电路的噪声影响以及非线性失真 具有较低的功耗。 相对于普通窄带LNA 宽带LNA实现的难点在于需要使用一定数量的无源元件 主要是电感和电容 来实现宽带输入匹配和宽带平坦增益。由于CMOS工艺在实现无源元件时存在较明显的工艺偏差 所以电路性能对工艺偏差的忍耐力也应该在设计中加以考虑。此外 宽带LNA的噪声性能以及增益的表达式都和窄带LNA不同 因此宽带放大器晶体管最优尺寸的确定也需要通过对噪声性能、增益以及功耗的分析重新确定 长期以来GaAs、SiGe衬底的双极型工艺在射频集成电路的实现技术中处于主导地位 主要是由于它们的高截止频率、高增益以及相对较低的噪声 。但是由于通信电路中的基带处理、数字信号处理通常采用集成度更高的CMOS工艺 因此工艺的不兼容性长期以来成为了射频集成电路的一个发展瓶颈。幸运的是 随着近年来人们在对硅基深亚微米CMOS工艺技术发展所作的不懈努力 MOS晶体管的性能得到了显著地提高 例如 MOSFET的截止频率已经接近甚至超过了双极型晶体管 最高的已经超过100GHz。而且 与上面提及的传统射频工艺相比 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 射频CMOS工艺有着先天的优势——高集成度与基带、数字信号处理模块兼容 、低成本。因此 射频CMOS工艺使得前面提到的射频电路的小型化、低成本研究方向成为可能 掀起了学术界对全集成CMOS无线接收机的研究 例如 Stanford大学的Thomas Lee带头的SMIrC实验室Berkeley大学Paul Gray领导的射频集成电路设计研究小组UCLA的Asad 一般地射频LNA不但是单片CMOS无线接收机的第一个电路模块 而且是接收机中工作频率最高的模块之一 它在很大程度上决定了整个无线接收机的两个主要性能指标 灵敏度和动态范围 因此 在单片集成电路系统设计中对其性能要求极其严格。正是由于这一特点 LNA也成了研究CMOS工艺是否适合CMOS无线接收机单片集成可行性的检验标准之一。而且 射频LNA的设计涉及了许多电路设计的线性理论 如噪声性能 和非线性理论 如线性度 这些理论集中体现了射频CMOS电路设计的精髓 对全集成CMOS无线接收机的设计具有很强的理论与实践指导意义 低噪声放大器的性能指标LNA的设计 首先应同时着眼于低噪声、低功耗以及较高的增益三个方面的 要求。在较高增益的情形下 从其性能的可靠性出发 还必须兼顾电路的稳定性。在设计LNA前 本节先列举几个典型的LNA的指标数据 让读者对它的全貌有个了解。然后分析影响这些指标的因素 以及可能产生的矛盾和解决的办法 在这个基础上引出后面的设计方法。 LNA的主要性能指标包括 低的噪声系数 Noise Figure NF 、足够的线 、高的增益及增益平坦度、输入输出阻抗的匹配、输入输出间良好的隔离度以及无条件的稳定性。对于移动通信还有一个很重要的指标是低电源电压和低功耗。下面分析影响这些指标的因素 特别要强调的是 所有这些指标都是互相牵连的 甚至是矛盾的 它们不仅取决于电路的结构 对集成电路来说 还取决于工艺技术 在设计中如何采用折中的原则 兼顾各项指标 是很重要的。 低功耗LNA是小信号放大器 必须给它设置一个静态偏置。而降低功耗的根本方法 是采用低电源电压、低偏置电流 但伴随的结果是晶体管跨导的减小 从而引起晶体管及放大器一系列指标的变化。 工作频带工作频带不但是指功率增益满足平坦度要求的频率范围 而且还要在全频带 内使噪声满足要求。放大器所能允许的工作频带与晶体管的特征频率fT有关

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