毫米波宽带低噪声放大器的研究与设计
发布时间：2021-09-28 09:12
近年来,毫米波通信与检测系统得到了长足发展,并随着毫米波宽带器件的应用,低噪放作为系统中的关键器件,毫米波系统中的宽带低噪放得到了广泛研究。随着CMOS工艺的不断改进,硅基CMOS工艺已更多应用在毫米波领域。但基于CMOS工艺的毫米波宽带低噪放存在带宽较小,噪声系数较大的问题,因此本论文对毫米波宽带低噪放进行研究,以实现毫米波较大带宽和较低噪声性能。论文重点研究毫米波低噪放实现宽带和降低噪声的方法,在宽带低噪放的基础理论上研究以宽带匹配方式实现宽带性能,降低匹配损耗并提高放大单元增益降低电路噪声。提出了一种由电感构成的低损耗T型电感,通过优化提升T型电感的Q值,使用T型电感匹配共源共栅（Cascode）单元实现毫米波低噪放的宽带和低噪声性能,并采用硅基65nm CMOS工艺,设计了一款51-99GHz的毫米波宽带低噪放和一款95-127GHz的毫米波宽带低噪放。论文的主要工作和贡献包括:（1）采用宽带匹配结构设计了一款51-99GHz低噪声放大器,通过较高Q值T型电感和共源共栅增益单元实现了低噪放的宽带和低噪声性能。后仿结果表明,噪声系数NF在3.9dB～7.7dB范围内,增益为15....
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
海平面上电磁波衰减特点随着电路频率的提高，电路的介质损耗、导体损耗均变大，毫米波电路性能会下降，同
浙江省硕士学位论文3图1.2毫米波应用1.2国内外毫米波宽带低噪放研究进展随着毫米波应用的普及，毫米波系统成为业界研究热点。毫米波低噪声放大器是毫米波收发系统不可缺少的模块，对系统的噪声、线性度有重要影响。毫米波放大器可分为窄带和宽带放大器，窄带放大器用于窄带单天线收发系统，而宽带放大器应用于宽带收发系统，这种系统一般是多个信道共用一个宽带低噪声放大器，再将信号传递给下级模块如混频器或功放，这样利用宽带低噪声放大器放大多个窄带信号减少了为不同信道单独设计低噪放的成本，宽带放大器也用于宽频范围的跳频信号收发系统，所以毫米波宽带放大器得到了学术界不少的关注和研究。本论文调研了近十年的具有代表性的文献资料。调研文献详细如下：2012年，De-RenLu等人使用65nmCMOS工艺设计了一款75.5-120.5GHz的宽带低噪声放大器[13]，相对带宽达到47%，电路采用四级共源共栅结构，使用微带线匹配，实现增益大于20dB，带内噪声系数6-8.3dB，IP1dB为-22dBm，如图1.3所示：图1.3四级共源共栅宽带低噪放（a）拓扑结构（b）版图（c）低噪放S参数2016年，基于65nmCMOS工艺，GuangyinFeng等人设计了一款频率为88.5-110GHz的低噪声放大器[14]，电路采用5级共源共栅结构，共源和共栅级之间串接电感改善Cascode的（a）（b）（c）
浙江省硕士学位论文12图2.3（a）漏源热噪声（b）栅极噪声图2.3中噪声电流公式中的带宽=1Hz，为过量噪声系数，是实验测量值，和沟道长度、漏源电压有关，一般由相关工艺给出。由于FET的输入阻抗很大，栅极噪声电流极小，栅极噪声源可以忽略不计，主要表现的是漏源电流产生的热噪声，但是在双极型晶体管中，基极的噪声电流不能忽略。综上分析，热噪声是毫米波电路的主要噪声源，所以毫米波低噪放的低噪声设计重点就是如何降低电阻性损耗和晶体管产生的热噪声。2.2低噪声放大器的主要技术指标对于多级放大器的设计，如果要实现较宽的带宽，需要各级放大单元对宽带内各个频段分别放大，这会不可避免地使整体增益下降，而窄带放大器的每一级都工作在相同频段，因此可以实现较高增益；为了实现最好的噪声性能，低噪放在输入输出匹配时会优先进行最小噪声匹配，从而在输入输出驻波性能和增益上需要一定的折中；如果放大器追求最高增益那么放大器有可能变得不稳定，追求高功率容量则电路损耗、噪声系数也随之增加。总之，电路的各种指标之间互相关联制约，因此在设计低噪放之前，我们需要对低噪声的几个重要指标进行阐述。2.2.1增益在射频电路中电路增益有不同的表达形式，常用的有电压增益，功率增益，电压增益是指输出电压和输入电压的比值，功率增益主要指是变换功率增益，是功率器件中的重要指标，定义为负载消耗的功率和源输出功率的比值[27]，这两种增益均用来描述电路的放大能力。放大器增益和晶体管跨导、电路的匹配和损耗有关。电压增益和转换功率增益计算如下，当源和负载均为50欧姆时，有。（2.2）（2.3）功率增益与源和负载阻抗相关[27]，根据源和负载阻抗值，功率增益和电压增益可以互相转化。如图2.4所示
【参考文献】：
期刊论文
[1]毫米波单片平衡放大器[J]. 贾晨阳,韩方彬,彭龙新. 电子元件与材料. 2019(01)
[2]基于65 nm CMOS工艺的D波段功率放大器设计[J]. 高向红,孙玲玲,苏国东. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2017(06)
[3]一款25～45GHz宽带MMIC低噪声放大器[J]. 王雨桐,吴洪江,刘永强. 太赫兹科学与电子信息学报. 2017(03)
[4]CMOS毫米波低功耗超宽带共栅低噪声放大器（英文）[J]. 杨格亮,王志功,李智群,李芹,刘法恩,李竹. 红外与毫米波学报. 2014(06)
[5]S波段低温低噪声放大器的研制[J]. 张旭,李宝会,赵新杰,阎少林,方兰,何明. 低温与超导. 2010(09)
[6]毫米波大动态宽带单片低噪声放大器[J]. 彭龙新. 固体电子学研究与进展. 2009(03)
博士论文
[1]片上多层电感的建模与应用研究[D]. 邹望辉.华中科技大学 2012
硕士论文
[1]CMOS毫米波低噪声放大器设计[D]. 易凯.电子科技大学 2014
[2]CMOS片上ESD保护电路设计研究[D]. 王怡飞.中国科学技术大学 2009
[3]微波宽带低噪声放大器的设计[D]. 郑磊.电子科技大学 2006
本文编号：3411632
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
海平面上电磁波衰减特点随着电路频率的提高，电路的介质损耗、导体损耗均变大，毫米波电路性能会下降，同
浙江省硕士学位论文3图1.2毫米波应用1.2国内外毫米波宽带低噪放研究进展随着毫米波应用的普及，毫米波系统成为业界研究热点。毫米波低噪声放大器是毫米波收发系统不可缺少的模块，对系统的噪声、线性度有重要影响。毫米波放大器可分为窄带和宽带放大器，窄带放大器用于窄带单天线收发系统，而宽带放大器应用于宽带收发系统，这种系统一般是多个信道共用一个宽带低噪声放大器，再将信号传递给下级模块如混频器或功放，这样利用宽带低噪声放大器放大多个窄带信号减少了为不同信道单独设计低噪放的成本，宽带放大器也用于宽频范围的跳频信号收发系统，所以毫米波宽带放大器得到了学术界不少的关注和研究。本论文调研了近十年的具有代表性的文献资料。调研文献详细如下：2012年，De-RenLu等人使用65nmCMOS工艺设计了一款75.5-120.5GHz的宽带低噪声放大器[13]，相对带宽达到47%，电路采用四级共源共栅结构，使用微带线匹配，实现增益大于20dB，带内噪声系数6-8.3dB，IP1dB为-22dBm，如图1.3所示：图1.3四级共源共栅宽带低噪放（a）拓扑结构（b）版图（c）低噪放S参数2016年，基于65nmCMOS工艺，GuangyinFeng等人设计了一款频率为88.5-110GHz的低噪声放大器[14]，电路采用5级共源共栅结构，共源和共栅级之间串接电感改善Cascode的（a）（b）（c）
浙江省硕士学位论文12图2.3（a）漏源热噪声（b）栅极噪声图2.3中噪声电流公式中的带宽=1Hz，为过量噪声系数，是实验测量值，和沟道长度、漏源电压有关，一般由相关工艺给出。由于FET的输入阻抗很大，栅极噪声电流极小，栅极噪声源可以忽略不计，主要表现的是漏源电流产生的热噪声，但是在双极型晶体管中，基极的噪声电流不能忽略。综上分析，热噪声是毫米波电路的主要噪声源，所以毫米波低噪放的低噪声设计重点就是如何降低电阻性损耗和晶体管产生的热噪声。2.2低噪声放大器的主要技术指标对于多级放大器的设计，如果要实现较宽的带宽，需要各级放大单元对宽带内各个频段分别放大，这会不可避免地使整体增益下降，而窄带放大器的每一级都工作在相同频段，因此可以实现较高增益；为了实现最好的噪声性能，低噪放在输入输出匹配时会优先进行最小噪声匹配，从而在输入输出驻波性能和增益上需要一定的折中；如果放大器追求最高增益那么放大器有可能变得不稳定，追求高功率容量则电路损耗、噪声系数也随之增加。总之，电路的各种指标之间互相关联制约，因此在设计低噪放之前，我们需要对低噪声的几个重要指标进行阐述。2.2.1增益在射频电路中电路增益有不同的表达形式，常用的有电压增益，功率增益，电压增益是指输出电压和输入电压的比值，功率增益主要指是变换功率增益，是功率器件中的重要指标，定义为负载消耗的功率和源输出功率的比值[27]，这两种增益均用来描述电路的放大能力。放大器增益和晶体管跨导、电路的匹配和损耗有关。电压增益和转换功率增益计算如下，当源和负载均为50欧姆时，有。（2.2）（2.3）功率增益与源和负载阻抗相关[27]，根据源和负载阻抗值，功率增益和电压增益可以互相转化。如图2.4所示
【参考文献】：
期刊论文
[1]毫米波单片平衡放大器[J]. 贾晨阳,韩方彬,彭龙新. 电子元件与材料. 2019(01)
[2]基于65 nm CMOS工艺的D波段功率放大器设计[J]. 高向红,孙玲玲,苏国东. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2017(06)
[3]一款25～45GHz宽带MMIC低噪声放大器[J]. 王雨桐,吴洪江,刘永强. 太赫兹科学与电子信息学报. 2017(03)
[4]CMOS毫米波低功耗超宽带共栅低噪声放大器（英文）[J]. 杨格亮,王志功,李智群,李芹,刘法恩,李竹. 红外与毫米波学报. 2014(06)
[5]S波段低温低噪声放大器的研制[J]. 张旭,李宝会,赵新杰,阎少林,方兰,何明. 低温与超导. 2010(09)
[6]毫米波大动态宽带单片低噪声放大器[J]. 彭龙新. 固体电子学研究与进展. 2009(03)
博士论文
[1]片上多层电感的建模与应用研究[D]. 邹望辉.华中科技大学 2012
硕士论文
[1]CMOS毫米波低噪声放大器设计[D]. 易凯.电子科技大学 2014
[2]CMOS片上ESD保护电路设计研究[D]. 王怡飞.中国科学技术大学 2009
[3]微波宽带低噪声放大器的设计[D]. 郑磊.电子科技大学 2006
本文编号：3411632
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