射频集成电路设计基础13低噪声放大器

东南大学射频与光电集成电路研究所,Nov-17,2003《射频集成电路设计基础》讲义↵低噪声放大器(LNA)‰LNA的功能和指标‰二端口网络的噪声系数‰BipolarLNA‰MOSLNAŠ非准静态(NQS)模型和栅极感应噪声ŠCMOS最小噪声系数和最佳噪声匹配‰参考文献射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)LNA的功能和指标1of34↵LNA的功能和指标•第一级有源电路，其噪声、非线性、匹配等性能对整个接收机至关重要•主要指标–噪声系数(NF)取决于系统要求，可从1dB以下到好几个dB，NF与工作点有关–增益(S21)较大的增益有助于减小后级电路噪声的影响，但会引起线性度的恶化–输入输出匹配(S11,S22)决定输入输出端的射频滤波器频响–反向隔离(S12)–线性度(IIP3，P1dB)未经滤除的干扰信号可通过互调(Intermodulation)等方式使接收质量降低LNA射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)二端口网络的噪声系数2of34↵二端口网络的噪声系数•噪声参数,定义,则NoiselessNetworkinS,2YSvn2in2SourceTwo-portNetworkiniuic+=icYcvn=FinS,2invnYS+[]2+inS,2-----------------------------------------=FinS,2iuvnYSYc+()+[]2+inS,2----------------------------------------------------------=1iu2YSYc+2vn2+inS,2--------------------------------------+=YSGSjBS+=,YcGcjBc+=Rnvn24kTf∆---------------=,Guiu24kTf∆---------------=,GSinS,24kTf∆---------------=F1GuYSYc+2Rn+GS-----------------------------------------+1GuGS------GSGC+()2BSBC+()2+GS----------------------------------------------------------Rn++==射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)二端口网络的噪声系数3of34↵当时，对给定，最小，且，为使F最小，令，并求解，得，因此，由，得，代入的表达式，得，即(1)BSBC–=GSFF1GuGS------RnGS------GSGC+()2++=GSddFBSBC–=0=GSGSGoptGC2GuRn------+==YoptGoptjBopt+GC2GuRn------+jBC–==Fmin1GuGopt---------RnGopt---------GoptGC+()2++=GuRnGopt2GC2–()=Fmin12RnGoptGC+()+=FFFminRnGS------GSGopt–()2BSBopt–()2+[]+=FFminYSYopt–2RnGS-------------------------------+=射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)二端口网络的噪声系数4of34↵当晶体管及其偏置确定后，以下噪声参数在也可以确定：在不同信号源导纳下的放大器噪声系数可以使用(1)计算得到。而通过输入匹配网络的设计，可以改变源导纳达到给定的噪声指标。而改变YS或ZS会同时影响放大器的其它性能如增益和稳定性等。经典的高频放大器设计中，匹配网络对这些指标的影响都在Smith圆图上得到直观的体现。对公式(1)中的电阻和导纳归一化，(2)再用反射系数表示yS和yopt，Table1:二端口网络噪声参数网络等效输入噪声电阻最佳信号源导纳最小噪声系数，其中Rnvn24kTf∆---------------YoptGuRn⁄Gc2+jBc–Fmin12RnGoptGc+()+GoptGuRn⁄Gc2+=FFminySyopt–2rngS----------------------------+=射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)二端口网络的噪声系数5of34↵那么噪声系数可以写成(3)这个方程与、、有关，被称为噪声参数。是器件工作电流和频率的函数，不同的对应不同的。如果把ΓS整理出来，有对于某一给定的噪声系数Fi，等式右边为一常量，定义它为Ni，即(4)进一步分析显示，产生给定Fi的ΓS位于一个圆周上，该圆的圆心和半径分别为yS1ΓS–1ΓS+---------------=yopt1Γopt–1Γopt+------------------=FFmin4rnΓSΓopt–1ΓS2–()1Γopt+2⋅----------------------------------------------------+=FminrnΓoptFminFminΓoptΓSΓopt–21ΓS2–-------------------------FFmin–4rn-------------------1Γopt+2=NiFiFmin–4rn--------------------1Γopt+2=射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)二端口网络的噪声系数6of34↵(5a)(5b)CFiΓopt1Ni+--------------=rFi11Ni+--------------Ni2Ni1Γopt2–()+=射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)二端口网络的噪声系数7of34↵一般来说，最小噪声系数和最大增益所需要的ΓS是不同的，右图给出了一个管子ΓS平面上的噪声系数和GS圆。最大增益，，对应的；最小噪声系数，，对应的GSFGS3dB=ΓS0.7110o∠=Fi4dB≈Fmin0.8dB≈ΓS0.640o∠=GS1dB–≈射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)二端口网络的噪声系数8of34↵这张图更清楚地说明了放大器设计中噪声、增益与匹配之间的折衷关系。这是一个基于GA的设计，对于当ΓS从向变化时，噪声系数和功率增益减小，输入驻波比增大。ΓS,mΓoptΓSm,Γopt射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)BipolarLNA9of34↵BipolarLNA•电路模型和等效输入噪声源vb2rbiB2rπCπ+−vbeCµgmvbeiC2in2vn2rπCπ+vbeCµgmvbe−rbvb24kTrbf∆⋅=iC22qICf∆⋅=iB22qIBf∆⋅=vn2vb2iC2gm2------iB2rb++vb2iC2gm2------+≈≈in2iB2iC2βjω()2-------------------+=βjω()β01jβ0ωωT⁄()+-------------------------------------=射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)BipolarLNA10of34↵•当信号源内阻为RS时，电路的噪声系数(6)为了计算方便，vn和in之间的相关性通常被忽略[1],即于是(7)F1vninRS+()24kTRSf∆⋅----------------------------+=vninRS+()2vn2in2RS2+=vb21gm2------iC2iB2RS2RS2βjω()2-------------------iC2+++=4kTrb4kT12gm---------2qICRS21β0-----1βjω()2-------------------+++f∆=F1rbRS-----12gmRS---------------gmRS2------------1β0-----1βjω()2-------------------++++=射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)BipolarLNA11of34↵所以在设计中需要尽量减小基极电阻rb，而跨导gm的选择除了应减小总的噪声系数外还有增益、功耗、线性度等多方面的考虑。文献[2]给出了一个很好的设计实例。如图所示，其基本结构为两级共发放大器，输入输出均匹配到50Ω。噪声系数主要由第一级放大器决定，主要参数为，，，，，因此模拟结果显示第二级电路使F上升为1.95dB。为减小噪声，第一级的输入匹配通过发射极电感负反馈获得：rb11Ω=gm0.1S≈fT5GHz≈β080=βω()5.5≈F11150------550------5160---------560------++++1.6dB≈≈ZinrbgmLECπ------------jωLE1jωCπ------------+++=射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)MOSLNA12of34↵MOSLNABipolarLNA的设计中，由于有清楚定义的噪声源和精确的电路模型，设计步骤和电路结构都很清晰明确。CMOSLNA的设计则较为复杂，一方面短沟道MOS管的噪声参数往往需要通过测试而无法从电路参数直接获得，器件模型和电路模拟结果不能精确反映实际噪声性能；另一方面，栅极感应噪声的存在和高频时非准静态的工作状态使分析复杂度大为增加。射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)MOSLNA13of34↵•输入阻抗匹配的实现分析和实践显示，右图所示的放大器结构能够提供与信号源匹配的输入电阻，但完全的匹配只在一个频率点获得，因此它仅适于窄带工作。与反馈等匹配方式相比，它在噪声和功耗上的优点非常明显。忽略Cgd，源极反馈电感Ls使输入阻抗变为如果Cgs和Ls谐振在工作频率，则因此只要使和成立，即可形成匹配，但这样固定了管子的尺寸，限制了对其它性能的控制。栅极电感Lg保证了Cgs可以不受阻抗匹配的限制而用于优化噪声系数，此时输入阻抗为(8)LsLgZinRSZin'Zin'gmvgsvgsLsM1Zin′1sCgs----------1gm1sCgs----------+sLs+1sCgs----------sLsgmCgs-------Ls++==ω0Zin′gmCgs-------LsωTLs≈=ω01LsCgs⁄=RSωTLs=Zins()sLgLs+()1sCgs----------ωTLs++=射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)MOSLNA14of34↵在这种放大器结构中Ls提供了匹配电阻，Lg使输入回路谐振在工作频率。•匹配条件下的噪声系数上图所示共源放大器的主要噪声源分别为»MOS管沟道热噪声»电感Lg的串联寄生电阻Rl的热噪声»MOS管栅极多晶硅电阻Rg的热噪声加上信号源内阻的热噪声，上图可改成按照噪声系数的定义id24kTγgd0f∆⋅=vrl24kTRlf∆⋅=vrg24kTRgf∆⋅=vs24kTRSf∆⋅=LsLgZinRSM1id2vs2RlRgvrl2vrg2射频集成电路设计基础低噪声放大器(LNA)MOSLNA15of34↵(9)这可以通过输出噪声电流来计算，也可以将所有噪声源等效为输入噪声电压，在输入端计算，我们这里使用第一种方法。假设，那么输入端的一个电压源所产生的输出电流可以通过右图等效电路计算：该电路的等效跨导为(10)FTotaloutputnoisepowerOutputnoisepowerduetothesource-----------------------------------------------------------------------------------------≡gmvgsvgsLsZinRSLgvinioRlRg+RS«iogmvgsgm1jωCgs()⁄ZinRS+--------------------------vin==G