2.4GHz低电压低功耗CMOS低噪声放大器的设计

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network)经过多年的发展，现已成为二十一世纪最具影响力的技术之一。无线传感器网络以一种全新的方式对信息进行获取和处理，它主要包括集成传感器、微型机电系统和网络。射频收发模块作为无线传感器网络节点的重要组成部分，其研究价值较高。在对低功耗要求愈来愈高的今天，低噪声放大器(LowNoise Amplifier, LNA)作为射频收发芯片的第一级电路，其性能的优劣，将决定着整个射频系统的成败。 本次设计是基于台积电(TSMC)0.18μm RF CMOS工艺，设计一款应用于无线传感网络射频收发芯片的1V低功耗的低噪声放大器。本文在给出LNA设计指标和基本原理的基础上，比较了LNA的各种常用的电路结构，采用输入匹配简单、功耗低、稳定性好的共栅级联结构，并结合亚阈值区技术以降低对电源电压的要求，实现低电压工作。通过采用电容交叉耦合技术来增强跨导(gm-boosted)，以及自行设计了大感值差分电感来减小芯片面积。论文给出了电路设计、前仿真、版图设计和后仿真，后仿真结果表明，在1V电源电压下和2.44GHz工作频率上，LNA功耗为0.9mW，提供17.48dB和1.92dB两档电压增益;高增益和低增益模式的噪声系数分别为4.3dB和6.8dB，输入1dB压缩点分别为-27dBm和-13dBm。 本文设计的低电压低功耗低噪声放大器满足WSN射频前端的要求，可以应用到WSN射频收发系统中。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．1．1 无线传感网(WSN)的应用背景

1．1．2 低噪声放大器(LNA)概述

1．1．3 CMOS工艺概述

1．1．4 Cadence设计平台

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容与设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文组织

第二章 低噪声放大器的设计理论

2．1 MOS管的工作原理及其各工作区域的特点

2．1．1 亚阈值区

2．1．2 线性区

2．1．3 饱和区

2．1．4 MOS管的完整小信号模型以及特征频率

2．2 MOSFET的噪声模型

2．2．1 热噪声、散弹噪声和闪烁噪声

2．2．2 沟道热噪声及栅极感应噪声

2．2．3 栅极感应噪声与沟道热噪声的关系

2．3 低噪声放大器的性能参数

2．3．1 S参数

2．3．2 噪声系数

2．3．3 线性度

2．3．4 稳定性

2．4 低噪声放大器的基本结构及其特性

2．4．1 电感负载的共源结构

2．4．2 电阻负反馈的共源结构

2．4．3 共栅结构

2．4．4 源极电感负反馈结构

2．5 本章小结

第三章 低电压低功耗低噪声放大器设计

3．1 低电压低功耗低噪声放大器的电路结构设计

3．1．1 低噪声放大器的主电路结构及其MOS管的工作区域

3．1．2 输入阻抗分析

3．1．3 输出端电路设计

3．1．4 增益控制电路设计

3．2 低电压低功耗低噪声放大器的设计

3．2．1 低噪声放大器的S参数前仿真

3．2．2 低噪声放大器的噪声系数前仿真

3．3 低电压低功耗低噪声放大器的优化

3．3．1 主电路参数调整

3．3．2 输入、输出端阻抗匹配过程

3．3．3 噪声的优化

3．3．4 稳定性优化

3．3．5 线性度优化

3．4 差分电感的设计与优化

3．5 低噪声放大器优化后的前仿真

3．5．1 优化后的S参数前仿真

3．5．2 优化后的的噪声系数前仿真

3．5．3 优化后的线性度前仿真

3．5．4 优化后的的稳定性前仿真

3．5．5 优化后的低噪声放大器前仿真结果总结

3．6 本章小结

第四章 低电压低功耗低噪声放大器的版图设计及后仿真

4．1 版图设计要点

4．2 低电压低功耗低噪声放大器的版图设计与后仿真

4．2．1 S参数后仿真

4．2．2 噪声系数后仿真

4．2．3 线性度后仿真

4．3 低电压低功耗低噪声放大器的后仿真以及版图优化

4．3．1 版图优化

4．3．2 优化后的S参数后仿真

4．3．3 优化后的噪声系数后仿真

4．3．4 优化后的线性度后仿真

4．3．5 优化后的稳定性后仿真

4．3．6 优化后的低噪声放大器后仿真结果总结

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢