2.5GHz CMOS低功耗宽带低噪声放大器设计

论文总字数：26852字

摘 要

低噪声放大器在接收系统的最前端，是接收系统的第一个增益级，用来给接收到的信号提供足够大的增益，并且同时要有低的噪声系数，以提高系统的灵敏度。在现代通信发展中，通信信号带宽更宽，并且信号的接收追求更低的功耗和更高的灵敏度，其他特定的指标也要同时满足，因此低噪声放大器的设计也在不断面临新的挑战。

本文采用0.18μm RF CMOS工艺，在Cadence软件上设计了2.5GHz CMOS低功耗宽带低噪声放大器。首先介绍了中频放大器和宽带技术的发展历史，给出了二端口网络S参数、低噪声放大器的主要性能指标以及主要设计方法，然后在文献阅读和理论分析的基础上，设计出了使用电流复用技术和多门控晶体管（MGTR）结构的两级低噪声放大器以达到低功耗和高线性度的目的，最后给出了电路的仿真结果与分析总结。该结构在TT工艺角下达到了噪声系数小于4.5dB，输出1dB压缩点大于1dBm，电压增益大于24dB等指标要求。

本次设计的低功耗宽带低噪声放大器应用于雷达系统中，作为接收机中间级的放大电路使用。

关键词：低噪声放大器； CMOS； 宽带； 低功耗

Abstract

Low noise amplifier is in the forefront of the receiving system, and is the first gain stage of the receiving system. It is used to provide a sufficiently large gain to the received signal, and at the same time it should have a low noise figure to improve system sensitivity. In the development of modern communications, the signal bandwidth of communication is wider than before, and we pursuit lower power consumption and higher sensitivity of received signal. The low noise amplifier must meet several other specifications as well, therefore the design of low noise amplifier are constantly facing up with new challenges .

In this paper, 0.18μm RF CMOS technology has been used to design the 2.5GHz CMOS low power wideband low noise amplifier on the software named Cadence. The paper introduces the development history of the IF amplifier and broadband technologies, then gives the two-port S-parameter, key performance indicators and the main methods to design low noise amplifier, and then based on literature reading and theoretical analysis, a two stage low noise amplifier with current reuse technology and multiple gated transistor(MGTR) structure is designed to achieve the purpose of low power consumption and high linearity. Finally, the simulation results and analysis of the circuit is given. Under the TT process corners, this structure achieve a noise figure of less than 4.5dB, a output 1dB compression point of higher than 1dBm, a voltage gain of greater than 24dB and other indicators requirements.

This design of low power wideband low noise amplifier is used in radar system as the amplifier in middle-class receiver circuit.

KEY WORDS: low noise amplifier; CMOS; broadband; low power consumption

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究背景 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4研究内容与设计指标 3

1.5 论文结构 3

第二章 低噪声放大器 5

2.1 二端口网络参数和S参数的仿真原理 5

2.1.1 二端口网络参数 5

2.1.2 S参数的仿真原理 7

2.2低噪声放大器主要性能指标 8

2.2.1 噪声系数 8

2.2.2 线性度 9

2.2.3 增益及增益控制 10

2.2.4 输入/输出驻波比 11

2.3 CMOS低噪声放大器的噪声匹配 12

2.4 低噪声放大器的设计方法 14

2.4.1 输入匹配设计 14

2.4.2 电路主体结构 15

2.5 本章小结 16

第三章 LNA拓扑结构和电路设计 19

3.1 电路参考原型 19

3.2 电路改进设计 20

第四章 电路的仿真结果与分析 23

4.1 仿真平台与工艺概述 23

4.2 TT工艺角仿真结果 23

4.3 SS和FF工艺角仿真结果 28

4.4 三种工艺角结果分析 38

第五章 总结 41

致谢 43

参考文献 43

第一章 绪 论

1.1 引言

在射频接收机系统中，低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）是接收机前端最重要的电路模块之一，它位于天线和射频滤波器后的第一级。接收天线接收到的信号是非常小的，通常从-100dBm（3.2V）到-70dBm（0.1mV），因此在信号被反馈到混频器之前，必须被放大一定倍数。这对低噪声放大器的增益有了一定的要求。接收到的信号为了能正确检测，需要有一定的信噪比（SNR），所以电路产生的噪声应该被尽可能的减小。低噪声放大器一般对后级射频滤波器有一个50Ω的负载特性以保证功率传输的最大化，其噪声特性对整个系统的噪声性能有直接的影响，并且决定了接收机的动态工作范围。同时低噪声放大器需要有足够的线性度来保证接收信号的可靠性。由于现代移动通信设备的飞速发展，为了便携和移动应用，低的功耗也是一个限制。与普通放大器相比，低噪声放大器一方面可以减小系统的杂波干扰、提高系统的灵敏度，另一方面可以放大系统信号、保证系统工作的正常运行。总之，低噪声放大器的性能几乎决定了整个接收系统水平的性能高低，其设计水平也在不断提高。

1.2 课题研究背景

本课题来源于某研究所技术开发项目：“低噪声中频放大器项目”。中频放大器的作用是放大中频信号，即对中频频段的功率增益比其他频段高，同时，中频放大器的输出信号也要有足够的幅度来使得限幅器和鉴频器能正常工作。

现代雷达和通信接收机一般使用的都是超外差接收结构。这种结构被认为是最可靠的接收机拓扑结构，因为通过选择适当的中频频率以及高品质滤波器，该结构可以获得极佳的灵敏度、选择性和动态范围，一直以来也是高性能接收机的首选。而中频放大器是超外差接收机的一个重要部分，它可以放大中频信号、抑制噪声、隔离相邻信道的干扰，并且也可以实现自动增益控制（ACG）。随着现代通讯技术的不断发展，对于通讯系统技术和集成电路工艺的要求越来越高，中频放大器也在不断向着宽带、低噪声、多功能等方向发展。^[1]

随着微电子技术的进步，信息社会也在飞速发展，各种无线通讯技术在不断革新，射频集成电路技术也在不断改进。在数字移动通讯、无线局域网（Wi-Fi）、卫星导航等众多领域里，通信系统使用的频带越来越宽，数据传输速率也越来越快，传统的窄带通信系统的频带和频谱利用率已经不能满足设计的需求，宽带通信系统应运而生，目前对于满足高通信频带和高速通信的研究十分热门。但同时宽带研究也在受到芯片可靠性、体积、功耗、成本等的制约。

目前，有对应用于3.1GHz-10.6GHz的超宽带系统的研究和对应用于2.5GHz以下的系统的研究，其中，后者又须兼容多个无线通信标准。本课题是研究2.5GHz CMOS低功耗宽带低噪声放大器的设计。

1.3 国内外研究现状

以CMOS工艺为基础的宽带放大器往往是以三种不同的拓扑结构为主：分布式放大器结构、电阻并联反馈结构和滤波器匹配结构。

分布式放大器通常提供宽的带宽特性，但由于多个放大级的分布，使它消耗大量的直流电流，因此它们不适合被用于低功率应用。

电阻并联反馈型放大器能提供良好的宽带匹配和平坦增益，但往往受限于欠佳的噪声系数（NF）和较大的功耗。该电阻并联反馈型放大器的输入电阻由反馈电阻决定，而反馈电阻又由反馈放大器的环路增益划分。因此，反馈电阻为了匹配一般为50Ω的低信号源电阻，常常被设为几百欧姆，这也导致了显著的噪声系数的恶化。此外，即使使用的电压增益适量，放大器也需要一个相当大量的电流，特别是在CMOS中，这是因为CMOS对放大晶体管的跨导电压增益有着很强的依赖性。

滤波器匹配结构一般在共源共栅低噪声放大器的输入端加一个带通LC滤波器，以用于宽带输入匹配。以带通滤波器为基础的拓扑结构中，结合了共源共栅放大器的输入阻抗作为滤波器的一部分，这显示出了良好的性能，并且直流功耗较小。然而，输入端采用的LC滤波器导致了一些不确定因素，这可能导致电路在芯片上实现的时候，需要更大的芯片面积和噪声系数的恶化，或者需要增加额外的外部元件。

科学家们对制作工艺的研究也在一直进行。在制作工艺中，CMOS工艺、BiCMOS工艺和SiGeHBT工艺比较常用，其中以CMOS工艺为最，使用该工艺制作的电路集成度高，而且其工艺水平也比较成熟。目前大多数CMOS工艺采用0.18μm或者0.13μm工艺，甚至90nm工艺也是存在的，目前，主流的CMOS工艺已经能够满足大多数近距离无线接收系统的需求，但是在远距离、小信号通信方面还是有所欠缺。^[2]

宽带低噪声放大器的研究不仅要考虑到增益、增益平坦度、线性度、输入输出匹配的指标，而且在现代通信领域，要想有实际性的作用，功耗也要足够低，以便于用在各种移动设备上，因此国内针对低功耗的研究也层出不穷，主要有五种低噪声放大器的设计方案：降低电流和电源电压的单管放大结构、使用LC匹配网络的低功耗共源共栅结构、提高增益的电流复用结构、选用电流为信号变量的电流模式结构、使用亚阀区技术的低电压结构。^[3]

1.4研究内容与设计指标

本设计的任务是采用TSMC 0.18μm RF CMOS工艺完成低噪声宽带中频放大器项目中的低噪声放大器的设计。设计的核心工作是研究低噪声放大器的设计方法，要求噪声系数小于4.5dB，输出1dB压缩点大于1dBm，电压增益大于24dB。

表1.1给出了该2.5GHz CMOS低功耗宽带低噪声放大器的设计指标。

表1.1 宽带低噪声放大器设计指标

1.5 论文结构

本文共分为五个章节，第一章介绍了宽带低噪声放大器的相关研究背景和国内外研究现状，交代了设计初始条件和研究目标，第二章介绍了二端口网络参数和低噪声放大器的主要性能指标，并着重介绍了低噪声放大器的噪声匹配方法，然后分析比较了多种常见宽带低噪声放大器的设计方法，第三章在参考文献的基础上选取了达到低功耗和高线性度的电路设计方案，第四章给出了使用Cadence软件并采用0.18μm CMOS工艺设计的电路的仿真结果与分析，最后第五章总结了全篇以及本次设计工作。

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