CMOS低功耗超宽带低噪声放大器的研究与设计

摘要

近年来，随着市场对宽带通信技术的需求不断增长，超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术迅速发展成为一种新型无线通信技术。超宽带技术具有高速率、大容量、低功耗和低成本的特性，在学术界和工业界受到极大的重视。因此，研究并提高超宽带射频通信电路性能，对宽带无线通信技术的发展具有重要的意义。
　　本论文主要研究低功耗超宽带低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)。首先细致地分析低噪声放大器的设计理论，然后对低噪声放大器常用的设计技术进行分析;最后基于台积电1P6M180nm RF CMOS工艺，设计了两款低功耗超宽带低噪声放大器。本文主要的创新工作可概括如下:
　　(1)本文设计了一款低压低功耗超宽带低噪声放大器。该低噪声放大器分为三级，第一级为共栅(Common Gate，CG)输入匹配级，完成宽频段范围内的输入匹配。第二级为放大级，采用改进型共源(Common Source，CS)结构，通过在共源级的输出端口处加入电感，引入一个复数极点，提高低噪声放大器的带宽。这种改进型共源结构取代了原来的共源共栅结构，使电路能够在低压下工作。第三级为输出缓冲级，完成输出匹配。为了进一步降低低噪声放大器的工作电压，该低噪声放大器使用了衬底偏置技术。在Cadence软件下对低噪声放大器进行后仿真，后仿真结果表明:LNA的工作频率为2.1-6.2GHz，在0.6V的电源电压下，噪声系数为3.22-4.04dB，增益为17.13±0.8dB，功耗仅有4.43mW，S11、S22均小于-10dB，完成了良好的输入、输出匹配。
　　(2)本文设计了一款高增益低功耗超宽带低噪声放大器。第一级为电阻并联反馈输入级，完成宽频段范围内的输入匹配。第二级为放大级，由共源放大器和偏置电路共同组成，电路采用电流复用技术，并利用偏置电路在提供偏置的同时实现电路增益的提高。第三级为输出缓冲级，用来实现输出匹配。这种低噪声放大器结构利用偏置电路的电流实现增益的提高，节约了电路的电流，完成了电路的高增益、低功耗设计。在Cadence软件下对低噪声放大器进行后仿真，后仿真结果表明:LNA的工作频率为2.8-8.5GHz，在1.5V的电源电压下，噪声系数为3.05-4.1dB，增益为18.2-19.9dB，电路的功耗为11.7mW，S11、S22均小于-10dB，完成了良好的输入、输出匹配。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 研究现状

1．2．1 超宽带通信技术研究现状

1．2．2 LNA研究现状

1．3 论文主要工作与结构

第2章 低噪声放大器理论基础和设计技术

2．1 S-参数理论

2．2 噪声

2．2．1 热噪声

2．2．2 散粒噪声

2．2．3 闪烁噪声

2．2．4 MOS管中的噪声源

2．2．5 噪声系数

2．2．6 多级放大器级联噪声

2．3 失真

2．3．1 非线性

2．3．2 增益压缩

2．3．3 交调失真

2．3．4 级联非线性

2．4 低噪声放大器设计技术

2．4．1 有源电感技术

2．4．2 等效跨导提高技术

2．4．3 噪声消除技术

2．5 射频电路版图设计

2．5．1 版图设计的基本流程

2．5．2 版图设计的注意事项

2．6 低噪声放大器的主要性能指标

第3章 超低压低功耗超宽带低噪声放大器设计

3．1 超宽带低噪声放大器电路结构

3．2 电路分析

3．2．1 单层MOS管低电压结构

3．2．2 正体偏置技术

3．2．3 输入匹配分析

3．2．4 增益分析

3．2．5 噪声分析

3．2．6 输出匹配设计

3．3 UWB LNA的前仿真

3．4 前仿真总结

3．5 UWB LNA的版图及其后仿真

3．5．1 UWB LNA版图设计

3．5．2 UWB LNA后仿真

3．6 本章小结

第4章 高增益低功耗超宽带低噪声放大器设计

4．1 超宽带低噪声放大器电路结构

4．2 电路分析

4．2．1 输入匹配分析

4．2．2 电流复用结构

4．2．3 增益分析

4．2．4 噪声分析

4．3 UWB LNA的前仿真验证

4．4 前仿真总结

4．5 UWB LNA的版图及其后仿真

4．5．1 UWB LNA版图设计

4．5．2 UWB LNA后仿真

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本文研究工作总结

5．2 进一步工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢

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