CMOS射频前端低噪声放大器研究与设计

摘要

射频无线通信技术经过几十年的高速发展，凭借其便利性、高效性等优点，在现代社会各个领域得到了广泛应用。与此同时，市场上对射频无线通信系统的性能指标提出了更高要求，比如能工作在更低电压、电路具有更低功耗、更小尺寸以及更宽的工作带宽等。在射频接收机前端电路中，低噪声放大器作为最重要的模块之一，其性能优劣程度对整个接收机的噪声系数、灵敏度等性能有决定性的影响，因而研究高性能的低噪声放大器，具有重要的理论与实践意义。
　　本论文的主要目的是深入研究低噪声放大器的相关理论以及设计技术，并且使用CMOS工艺设计出性能优良的低噪声放大器电路。为了实现此目的，本论文首先详细研究与分析了设计低噪声放大器需要掌握的射频集成电路理论，如S参数理论、噪声理论、射频集成电路器件等，同时对电流复用技术、噪声消除技术这两种设计技术进行了深入研究。然后在此基础上，完成了以下三款低噪声放大器的设计与仿真验证:
　　(1)设计了一款使用共源共栅结构与电流复用技术的2.4GHz窄带低噪声放大器，并且进行了前仿真验证。该窄带低噪声放大器在2.4GHz处的增益为23.5dB，输入输出反射系数均小于-16dB，噪声系数为0.72dB，在1.5V电压供电下功耗为4.9mW，输入三阶交调点为-1.6dBm。
　　(2)通过采用折叠共源共栅结构，同时利用正体偏置效应，使电路的供电电压与功耗得到优化，设计了一款工作在2.4GHz窄带低噪声放大器。前仿真结果显示，该低噪声放大器在0.5V电压供电下电路功耗1.83mW，2.4GHz处增益为23.8dB，噪声系数0.62dB，输入反射系数为-28.2dB，输出反射系数为-24.8dB。
　　(3)通过研究宽带低噪声放大器相关理论，针对噪声性能与增益性能进行优化设计，采用两级电阻反馈电流复用结构与噪声消除技术，设计了一款工作在2-5GHz的宽带低噪声放大器。对该宽带低噪声放大器进行了前仿真验证，之后完成了版图设计与后仿真验证。后仿真结果显示，在1.5V电压供电下，电路功耗为9.03 mw。在2-5GHz的工作频率内，噪声系数小于2.75dB，最高增益达到20.5dB，输入和输出反射系数均小于-10dB，反向增益在-38dB以下并且输入三阶交调点在3GHz处为-4.98dBm。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要工作与结构

第2章 低噪声放大器的基本理论

2．1 二端口网络理论与S参数理论

2．2 噪声理论

2．2．1 噪声源

2．2．2 二端口网络噪声理论

2．3 低噪声放大器的稳定性

2．4 低噪声放大器的线性度

2．4．1 输入1dB增益压缩点

2．4．2 输入三阶交调点

2．5 射频集成电路器件

2．6 低噪声放大器设计技术

2．6．1 电流复用技术

2．6．2 噪声消除技术

2．7 低噪声放大器的相关性能指标

2．8 低噪声放大器的版图设计

第3章 2．4GHz窄带低噪声放大器的设计与仿真

3．1 2．4GHz共源共栅窄带低噪声放大器设计

3．1．1 输入阻抗匹配结构分析

3．1．2 偏置电路的设计

3．1．3 2．4GHz共源共栅窄带低噪声放大器完整电路图

3．1．4 窄带低噪声放大器LNA1的前仿真结果

3．2 2．4GHz折叠共源共栅结构低噪声放大器电路设计

3．2．1 低电压低功耗电路的研究

3．2．2 2．4GHz折叠共源共栅结构低噪声放大器完整电路图

3．2．3 窄带低噪声放大器LNA2的前仿真结果

3．3 性能比较

3．4 本章小结

第4章 2-5GHz宽带低噪声放大器的设计与仿真

4．1 输入阻抗匹配结构分析

4．1．1 共栅输入匹配结构

4．1．2 电阻负反馈输入匹配结构

4．1．3 电阻反馈电流复用输入匹配结构

4．2 宽带低噪声放大器的设计

4．3 宽带低噪声放大器LNA3的仿真验证

4．3．1 LNA3的前仿真验证结果

4．3．2 LNA3的版图设计与后仿真验证结果

4．4 性能比较

4．5 本章总结

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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