毕业论文基于ads的低噪声放大器设计

毕业论文基于ads的低噪声放大器设计内容摘要：

是噪声系数不管是在低频条件还是高频条件它的值都是不满足我们的要求的。 图（ c）方案适合于宽带 的 放大， 不足之处 是在与 其他 相同噪声性能 不同形式 结构 的 放大器进行比较，它的功耗 还是 偏大，如果是在 我们设计 低噪声放大器中， 用到的 电阻 相对较 多，不适用 于 CMOS 技术。 图（ d）中所看到的是 MOS 管的源极采用的源极是采用电感负反馈式，与 MOS 管的输入电容等调谐后可以实现匹配， 它适合于窄带的放大。 它和前面的三种结构相比较， 它拥有的 噪声性能 较好 ，所以在 CMOS 放大器中 经常能见到它的身影。 本篇论文所采用的结构就是最后一种源极电感负反馈式。 在第二章会对这种结构进行详细的介绍。 线性度 这里主要由 1dB 压缩点和三阶交调截点 3IIP 可以用来衡量线性度。 线性度的影响因素主要有两点：一是输入端口的阻抗匹配网络是可以对放大器的线性范围造成影响；二是电路结构也可以影响到线性范围，举例如单管放大改为差分 放大结构和负反馈均可以改善线性度。 隔离度和稳定性 高的低噪声放大器反向隔离度能够降低本振信号由后端的混频器向天线的泄露，即低噪声放大器的隔离性能可以完全决定着本振泄露。 而良好的低噪声放大器的反向隔度，能够让负载的变化对于输入阻抗的影响度降低，继而可以简化它的输入输出端关于匹配网络的调试。 伴随着隔离度的增加，放大器的稳定性是会随着改善的。 在本篇论文里，采用的是共源共栅级联结构以提高低噪声放大器稳定性。 下面表格 11 是国内外在设计 CMOS 低噪声放大器的性能指标的参考资料。 表 11 国内外相关文献 CMOS 低噪声放大器性能指标 第 1 章 低噪声放大器的基本原理以及性能参数 6 参考文 献 工作频率（ GHz） 电源电压(V) 功耗（ mW） 低噪声系数 NF（ dB） 输入匹配 输出匹配 增益（ dB） 1dB 压缩点(dBm) 三阶交调截点（ dBm） [5] 32 26 20 [6] 29 32 [7] [8] 3 19 20 20 19 8 第 2 章 低噪声放大器的基本原理以及性能参数 7 第 2 章 低噪声放大器的方案设计 电感源极负反馈结构的采用以及相应的参数介绍 在 中有讨论的 低噪声放大器的四种匹配方式中，前三种匹配的结构效果是都可以满足良好的功率匹配的，但是这几种结构会在信号传输的路径中会有着能产生噪声的电阻的存在，从而使电路的噪声系数变差，产生较高的噪声 ]10[。 那么这个时候就要考虑，如果能够在信号的传输路径上避免这种带噪声电阻，这样就能使电路的噪声大幅度的 降低，这时我们采用的方法是在管的源极和栅极分别接有电感，以实现匹配。 这样我们就可以提供没有电阻的电阻性输入阻抗，而这种电路结构我们称为电感源极负反馈结构。 如图 21 所示， 图 21 电感源极负反馈式的共源放大器电路结构 该结构的小信号等效电路如下图 22 所示，该结构忽略 gdC ， 图 22 电感源极负反馈式的小信号等效电路 由上图我们可以写出电路的输入阻抗如式（ 21） 第 2 章 低噪声放大器的基本原理以及性能参数 8 sCgssCin LsLZ gsmgs  1 （ 21） 而可以在晶体管的栅极一端串联一电感 Lg,这是为了用于优化噪声系数等等的指标，满足 gsC 不受制于阻抗匹配的限制。 这时候的输入阻抗则为 sCggssCin LLLsZ gsmgs  )(1 （ 22） 因此，选择合适的源极电感 sL 和栅极电感 gL ，让输入阻抗的实部能够等于 50。 此时，栅极电感 gL 的用途是用于抵消信号路径中残余的电容，让输入阻抗在某一频率上表现出来的是 50 的纯电阻。 可以看到这种源极电感负反馈结构是一种窄带匹配的结构，这种结构能够在很大程度上降低系统的噪声，因为这种结构可以在信号传输的路径上避免掉噪声电阻。 目前，这种结构是最广泛的被用于低噪声放大器结构的设计上，总结以上的原因，它本身就是一种窄带匹配结构的放大器，能够利用源极电感实现输入阻抗是正实部的状态，从而能够获得较满意的噪声性能即使是在功耗受限制的情况下。 返回刚才讨论的公式（ 22），如果 sg LL 与 gsC 谐振在工作频率 0W 下，即gsgs CLLW )(10  ,则可以得到 sTsCgin LwLZ gsm  (23) 这时，只要让 sTs LwR  等式成立，就可以得到输入阻抗匹配。 在这样的匹配结构下电感 sL 提供匹配电阻，使输入阻抗等于源电阻，电感 gL 可以让输入回路在工作频率上发生谐振 ]12[。 经过推导， 这低噪声放大器的噪声系数可以近似的表示如下（忽略 gR 和 1R ）  20 01Twwd RgF  （ 24） 从（ 24）式子不难看出噪声系数很接近 minF ，伴随着 MOS 工艺的不断改良， MOS管截止频率会越来越高，相应的噪声系数将会呈现出更小的值。 经上面的分析可以得出，源极电感负反馈式的匹配不会引入其他额外的噪声，能够呈现出阻抗匹配的同时让噪声系数降到最低。 因为输入阻抗只会在一个频率上，也就是在谐振的情况下才是纯阻性的，因此这个方法只能提供窄带阻抗匹配的情况。 在现在的很多应用中，所涉及到的窄带工作是可以被接受的 ]11[。 其中唯一的不足是片上的电感会在芯 片上中占用大的面积。 共源共栅结构（ Cascode）的低噪声放大器 在前面面对常用的低噪声放大器匹配结构的比较中，我们已经决定的是采用共源电感负反馈匹配机构进行相关的设计。 以下是我们将采用的是共源共栅结构来对低噪声放大器进行设计分析，进一步改进我们的设计。 在我们现实的设计过程当中， Casode 共源共栅结构是被采用最多的结构。 如下图（ 23）所示。 本篇论文所采用的结构也是如此。 在前面的结构分析中，我们没有分析考虑的是晶体管与栅极间的栅漏寄生电容 gdC对整个电路的影响，它是我们在实际的设计过程中所不能忽视的要素，即对我们的电路性能产生很大的影响。 有资料显示是这么认为的，这个电容将会影响电路的高频响应，第 2 章 低噪声放大器的基本原理以及性能参数 9 这种现象就是所谓的密勒效应（ Miller effect） ]4[。 而在这里，因为 MOSFET 的栅漏寄生电容 gdC 的不可忽视，所以工作的时候会在 MOSFET 的输入与输出端口产生反馈。 正是因为这样，它会产生一系列的问题，一方面它会使低噪声放大器（ LNA）的噪声性能变得很糟糕，而另一方面，又会使整个系统变得很不稳定。 因此，我们很自然的将采用两级结构来设计低噪声放大器，也就是在上面已经提到过的电感源极负反馈的基础上后，再在后面加上第二级的目的是抑制第一级所产生的栅漏寄生电容 gdC 并且可以提高电路的增益。 如上图（ 22）所示，其中的第二级的 MOSFET 即就是所谓的共栅结构。 下图（ 23）所示是共源共栅（ Cascode)结构的小信号模型。 其中，忽略 MOSFET的栅极寄生电阻，两个 MOSFET 间的寄生电容用 1C 表示。 这里第二级的 MOSFET 漏源之间的跨导表示的为 2dsg。 图 23 共源共栅结构下的小信号模型 这里根据 Y参数中的定义，可以计算出共源共栅下的 Y参数中的 12Y 的公式为 21 2112 mgd dsgd gSCSCgSCY  (25) 其中， C = 1C + 2C (26) 在 Y 参数里， 12Y 是指反向增益，也就是所说的反馈大小。 由公式（ 25）就是可以明显的看出，共源共栅结构的反向增益 12Y 是正比于第二级 MOSFET 的漏源之间的所产生的跨导 2dsg。 这里需要 说明的是，当 MOSFET 工作于饱和区的时候，沟道电阻会变得很大，即漏源之间的沟道跨导 2dsg 会很小，因此从以上的正比关系可以得出共源共栅的结构中反向增益 12Y 是比较小的。 这里也可以这么说，共源共栅结构下的输出到输入的反馈影响是比较小的，输入端和输出端可以实现很好的隔离度，也就是意味着第一级的MOSFET 栅漏间中的寄生电容产生的影响降到最低。 总之，共源共栅 结构（ Cascode）的优点如电路简单，不仅在提供增益的时候，而且还能够抑制第一级的栅漏寄生电容产生的影响，让输入输出端能够很好的进行隔离，因此输入和输出的阻抗可以比较容易的与信号和负载的阻抗满足阻抗匹配。 这样不仅让电路的稳定性有大幅度的提高，还增强了电路的噪声性能。 单端和差分放大器 单端放大器是指当放大器只有一个输入端和一个输出端的情况，而它的性能与它的直流偏置状态是密不可分的。 在现实的设计电路中，因为存在着噪声和干扰以及一些其他寄生效应对电路的影响，这时就很难精确的把直流电平控制在合理的大小 的范围内，这就会直接关系到了单端放大器的性能。 但是如果合理的运用差分放大器则是可很好的解决这个难题。 差分放大器是指放大器具有对称的双端输入与双端输出的情况。 它与单第 2 章 低噪声放大器的基本原理以及性能参数 10 端放大器相比较，差分放大器面积增大一倍，但可喜的是它能够在很大的程度上改善了电路的性能，以下几点是它的优点 ]9[ ： 1） 运用差分结构能够抑制偶次谐波带来的干扰。 2） 偏置电平所带来的影响会被克服，这时放大器的性能会比较稳定。 3） 因为采用差动的输出，输出信号的电压摆幅会明显的增大一倍。 4） 因为。