面向多带多标准接收机的宽带CMOS低噪声放大器研究
发布时间：2020-09-25 21:20
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。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN722.3;TN851
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
插图目录
表格目录
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 研究现状
1.3 本文贡献
1.4 内容安排
第2章 短沟道MOSFET基本特性和模型概述
2.1 引言
2.2 短沟道MOSFET基本物理特性
2.2.1 阈值电压变化
2.2.2 纵向电场导致迁移率退化
2.2.3 载流子速度饱和
2.2.4 热载流子效应
2.2.5 沟长调制效应
2.3 短沟道MOSFET直流模型
2.3.1 强反型饱和区直流模型
2.3.2 参数提取
2.3.3 参数验证与优化
2.3.4 不同工作区直流模型
2.4 短沟道MOSFET射频小信号模型
2.4.1 器件内部小信号模型
2.4.2 外围电阻电容子电路
2.4.3 衬底网络
2.5 短沟道MOSFET噪声模型
2.6 短沟道MOSFET弱非线性特性
2.7 本章小结
第3章 CMOS LNA的宽带实现技术研究
3.1 引言
3.2 宽带CMOS LNA的基本拓扑结构
3.2.1 电阻终端
3.2.2 电阻反馈
3.2.3 有源反馈
3.2.4 共栅级
3.3 输入匹配拓宽技术
3.3.1 减小等效输入电容
3.3.2 多阶滤波器匹配
3.4 电感峰值技术
3.5 采用栅电感补偿的宽带LNA设计
3.5.1 反馈LNA回顾
3.5.2 栅电感补偿LNA分析
3.5.3 电路设计与仿真结果
3.5.4 测试结果
3.6 本章小结
第4章 CMOS宽带LNA的线性化研究
4.1 引言
4.2 LNA非线性分析
4.2.1 幂级数法
4.2.2 Volterra级数法
4.3 宽带CMOS LNA线性化技术
4.3.1 线性负反馈
4.3.2 最优偏置
4.3.3 前馈补偿
4.3.4 失真抵消
4.3.5 后失真补偿
4.4 高线性有源反馈LNA设计
4.4.1 传统有源反馈LNA的非线性分析
4.4.2 源级跟随器的互补实现
4.4.3 反馈电阻对线性度的影响分析
4.4.4 电路设计
4.4.5 仿真结果
4.4.6 测试缓冲级设计
4.5 本章小结
第5章 CMOS宽带巴伦LNA的低噪声与线性化设计
5.1 引言
5.2 常见巴伦LNA拓扑结构
5.3 共栅-共源巴伦LNA特性分析
5.3.1 输出平衡
5.3.2 噪声性能
5.3.3 非线性分析
5.4 电路设计
5.5 后失真补偿分析
5.6 衬底噪声优化分析
5.7 仿真结果
5.8 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果
本文编号：2827083
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN722.3;TN851
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
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表格目录
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 研究现状
1.3 本文贡献
1.4 内容安排
第2章 短沟道MOSFET基本特性和模型概述
2.1 引言
2.2 短沟道MOSFET基本物理特性
2.2.1 阈值电压变化
2.2.2 纵向电场导致迁移率退化
2.2.3 载流子速度饱和
2.2.4 热载流子效应
2.2.5 沟长调制效应
2.3 短沟道MOSFET直流模型
2.3.1 强反型饱和区直流模型
2.3.2 参数提取
2.3.3 参数验证与优化
2.3.4 不同工作区直流模型
2.4 短沟道MOSFET射频小信号模型
2.4.1 器件内部小信号模型
2.4.2 外围电阻电容子电路
2.4.3 衬底网络
2.5 短沟道MOSFET噪声模型
2.6 短沟道MOSFET弱非线性特性
2.7 本章小结
第3章 CMOS LNA的宽带实现技术研究
3.1 引言
3.2 宽带CMOS LNA的基本拓扑结构
3.2.1 电阻终端
3.2.2 电阻反馈
3.2.3 有源反馈
3.2.4 共栅级
3.3 输入匹配拓宽技术
3.3.1 减小等效输入电容
3.3.2 多阶滤波器匹配
3.4 电感峰值技术
3.5 采用栅电感补偿的宽带LNA设计
3.5.1 反馈LNA回顾
3.5.2 栅电感补偿LNA分析
3.5.3 电路设计与仿真结果
3.5.4 测试结果
3.6 本章小结
第4章 CMOS宽带LNA的线性化研究
4.1 引言
4.2 LNA非线性分析
4.2.1 幂级数法
4.2.2 Volterra级数法
4.3 宽带CMOS LNA线性化技术
4.3.1 线性负反馈
4.3.2 最优偏置
4.3.3 前馈补偿
4.3.4 失真抵消
4.3.5 后失真补偿
4.4 高线性有源反馈LNA设计
4.4.1 传统有源反馈LNA的非线性分析
4.4.2 源级跟随器的互补实现
4.4.3 反馈电阻对线性度的影响分析
4.4.4 电路设计
4.4.5 仿真结果
4.4.6 测试缓冲级设计
4.5 本章小结
第5章 CMOS宽带巴伦LNA的低噪声与线性化设计
5.1 引言
5.2 常见巴伦LNA拓扑结构
5.3 共栅-共源巴伦LNA特性分析
5.3.1 输出平衡
5.3.2 噪声性能
5.3.3 非线性分析
5.4 电路设计
5.5 后失真补偿分析
5.6 衬底噪声优化分析
5.7 仿真结果
5.8 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果
【参考文献】
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1 蔡力;傅忠谦;黄鲁;;A low power high gain UWB LNA in 0.18-μm CMOS[J];半导体学报;2009年11期
2 袁海泉;林福江;傅忠谦;黄鲁;;A 0.18μm CMOS inductorless complementary-noise-canceling-LNA for TV tuner applications[J];半导体学报;2010年12期
3 冯立松;黄鲁;白雪飞;席天佐;;A 0.18 μm CMOS 3-5 GHz broadband flat gain low noise amplifier[J];半导体学报;2010年02期
本文编号：2827083
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