论文部分内容阅读
经济和科技的不断发展使得各种不同用途的无线设备大量涌现,采用CMOS工艺将不同的无线标准集成在单个芯片上,有望实现消费者对终端设备轻便、多功能、节能且便宜的追求。而宽带低噪声放大器(LNA)是实现灵活、紧凑、低功耗多带多标准接收机的重要模块。受制于CMOS工艺较大的寄生及较低的电源电压,高性能宽带CMOS LNA的设计是一个难点。本论文主要对宽带CMOSLNA的带宽扩展、低噪声和线性化设计等展开研究。MOSFET的特性和工作状态对LNA的性能具有决定性影响。本文阐述了短沟道MOSFET的重要物理效应,并给出了简化的强反型区直流模型,该模型适宜电路的定性手工设计。另外,阐述了MOSFET的小信号模型、噪声模型和弱非线性特性,以指导LNA的设计与优化,同时探讨了部分寄生的优化方法。LNA足够的带宽是保证其能覆盖大部分频带和无线标准的前提,同时较好的输出平坦度可减小信号失真及对ADC动态范围的要求。本文提出了一个采用较小栅电感有效实现了带宽扩展的有源反馈LNA,并给出了相关分析。该电感通过增大晶体管的有效跨导补偿了负载电容导致的增益下降,从而在扩展带宽的同时实现了增益的平坦化。最后该LNA在65nm工艺上进行了流片验证,其在0.4-10.6GHz内取得了15.5±0.9dB的较平坦电压增益,带宽扩展比为1.43。宽带LNA同时接收到的其带宽范围内的多路信号会相互成为带内干扰源,因此其需要有较好的线性度以减小信号失真。本文对有源反馈LNA的非线性进行了分析,提出了采用互补MOS管对实现的源级跟随器,其可有效改善LNA的线性度。该技术在0.18μm工艺上进行了仿真验证,相比传统源级跟随器,其对LNA IIP2和IIP3的改善分别为17.6dBm和3.1dBm。高性能接收机往往采用差分结构,其需要使用单转差巴伦。本文在考察了常见巴伦LNA的优缺点后选择了共栅-共源结构进行改进,在共源级使用了一个PMOS后失真辅助管有效抵消了主NMOS管的二次和三次非线性,显著地改善了共栅-共源巴伦LNA的IIP2和IIP3；通过在MOS管源端和体端串接一个大电阻有效抑制了共源放大管的衬底噪声,在0.18μm工艺上的仿真表明,其使得巴伦LNA在1GHz处的噪声系数由2.88dB降到了2.5dB。