东南射频讲义(低噪放1)
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2 Gu ⁄ Rn + Gc
1 + 2 R n ( G opt + G c )
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，
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >LNA 的功能和指标
<< >> <
>
↵
2 of 33
二端口网络的噪声系数
• 噪声参数
in = iu + ic , ic = Yc vn
2 + [ i + v ( Y + Y ) ]2 in ,S u n S c F = --------------------------------------------------------2 in ,S 2 + Y + Y 2v 2 iu S c n = 1 + ------------------------------------2 i n, S
(3)
如果把 ΓS 整理出来，有
F – F min Γ S – Γ opt 2 ------------------ 1 + Γ opt -----------------------= 4 rn 1 – ΓS 2
2
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
F i – F min - 1 + Γ opt 2 N i = ------------------4 rn
(7)
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >Bipolar LNA
<< >> <
>
↵
9 of 33
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 r b f T ≈ 5 GHz ， β 0 = 80 ，β ( ω ) ≈ 5.5 ，因此
(8)
• 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
2 = 4 kT γ g » MOS 管沟道热噪声 i d d 0 ⋅ ∆f 2 = 4 kTR ⋅ ∆f » 电感 Lg 的串联寄生电阻 Rl 的热噪声 v rl l 2 = 4 kTR ⋅ ∆f » MOS 管栅极多晶硅电阻 Rg 的热噪声 v rg g
5- + -------5 - + ----5- ≈ 1.6 dB F ≈ 1 + 11 ----- + ----50 50 160 60
= 11 Ω ， g m ≈ 0.1 S ，
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：
Z in ≈ r b + β ( j ω ) ⋅ j ω L E
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
<< >> <
>
↵
3 of 33
Table 1: 二端口网络噪声参数
Rn Y opt F min
2 vn -------------4 kT ∆f 2 – jB Gu ⁄ Rn + Gc c
网络等效输入噪声电阻 最佳信号源导纳，其中 最小噪声系数，其中 G opt =
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >Bipolar LNA
<< >> <
>
↵ຫໍສະໝຸດ Baidu
10 of 33
MOS LNA
Bipolar LNA 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。 CMOS LNA 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。
<< >> <
>
↵
1 of 33
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 1 dB 以下到好几个 dB – 增益 (S21) LNA
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 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
《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 Bipolar LNA MOS LNA 非准静态 (NQS) 模型和栅极感应噪声 CMOS 最小噪声系数和最佳噪声匹配 LNA 的不同结构 参考文献
东南大学射频与光电集成电路研究所 陈志恒 , Nov-17, 2002
2 in ,S
2 vn 2 in
YS
Source
Noiseless Network
Two-port Network
定义
Y S = G S + jB S , Y c = G c + jB c ,
2 2 2 vn iu in ,S - , G u = -------------- , G S = -------------R n = -------------4 kT ∆f 4 kT ∆f 4 kT ∆f
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
<< >> <
>
↵
4 of 33
那么噪声系数可以写成
4 r n Γ S – Γ opt F = F min + --------------------------------------------------( 1 – Γ S 2 ) ⋅ 1 + Γ opt 2
• 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
gm 1 - 1 - + 1 + g --------1 - + sL + ------L Z in ′ = --------sL s = --------m s sC gs C gs s sC gs sC gs
y S – y opt 2 r n F = F min + --------------------------gS
(2)
再用反射系数表示 yS 和 yopt，
1 – ΓS y S = -------------1 + ΓS 1 – Γ opt y opt = ----------------1 + Γ opt
2 iB
≈ =
2 vb
2 2 iC iC 2 2 + ----- + i B r b ≈ v b + ----2 2 gm gm
2 vn 2 in
rb rπ Cπ + v be −
Cµ
g m v be
2 in
2 iB
+ ------------------β(jω) 2
2 iC
β0 β ( j ω ) = -----------------------------------1 + j β0 ( ω ⁄ ωT )
2 + i 2R 2 ( vn + in RS ) 2 = vn n S 2 R 1 S 2 + ----2 + i 2 R 2 + ------------------- i 2 = vb i C B S 2 β(jω) 2 C gm
(6)
1 1 ∆f 1- + ------------------2 ---- + 2 qI C R S = 4 kTr b + 4 kT ------- β 0 β ( j ω ) 2 2 gm 于是 gm RS 1 rb 1 1 - ---F = 1 + ----- + --------------- + ----------- + ------------------2 β0 β ( j ω ) 2 RS 2 gm RS
(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。 vin Lg 假设 R l + R g « R S ，那么输入端的一个电压 io 源所产生的输出电流可以通过右图等效电 vgs gmvgs RS 路计算：
RS
Lg M1 Ls
Zin
Zin'
vgs Zin' Ls
gmvgs
如果 Cgs 和 Ls 谐振在工作频率 ω 0 ，则
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >MOS LNA
<< >> <
>
↵
11 of 33
gm - L ≈ ωT Ls Z in ′ = -----C gs s
因此只要使 ω 0 = 1 ⁄ L s C gs 和 R S = ω T L s 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 1 Z in ( s ) = s ( L g + L s ) + ---------- + ω T L s sC gs 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。
(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 CF
i
Γ opt = ------------1 + Ni
(5a) (5b)
(5)
1 - N i2 + N i ( 1 – Γ opt 2 ) r F = ------------i 1 + Ni
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
加上信号源内阻的热噪声
v s2 = 4 kTR S ⋅ ∆f ，上图可改成
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >MOS LNA
<< >> <
>
↵
12 of 33
Lg
Rl
2 v rl
Rg
2 v rg
M1
2 id
RS Zin Ls
v s2
按照噪声系数的定义 Total output noise power F ≡ ---------------------------------------------------------------------------------------Output noise power due to the source
<< >> <
>
↵
5 of 33
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。 GS
F
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
<< >> <
>
↵
6 of 33
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 Γ S, m 向 Γ opt 变化时，噪声系数和 功率增益减小，输入驻波 比增大。
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >Bipolar LNA
<< >> <
>
↵
8 of 33
• 当信号源内阻为 RS 时，电路的噪声系数
( vn + in RS ) 2 F = 1 + ---------------------------4 kTR S ⋅ ∆f 为了计算方便， vn 和 in 之间的相关性通常被忽略 [1], 即
则
Gu + YS + Yc 2 Rn Y S – Y opt 2 R n F = 1 + ---------------------------------------- = F min + -----------------------------GS GS
(1)
当晶体管及其偏置确定后，以下噪声参数在也可以确定：
Γopt ΓS,m
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
<< >> <
>
↵
7 of 33
Bipolar LNA
• 电路模型和等效输入噪声源
2 vb 2 vb
= 4 kTr b ⋅ ∆f
rb
Cµ rπ Cπ + v be −
g m v be
2 iC
2 = 2 qI ⋅ ∆f iC C 2 = 2 qI ⋅ ∆f iB B 2 vn
1 + 2 R n ( G opt + G c )
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，
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >LNA 的功能和指标
<< >> <
>
↵
2 of 33
二端口网络的噪声系数
• 噪声参数
in = iu + ic , ic = Yc vn
2 + [ i + v ( Y + Y ) ]2 in ,S u n S c F = --------------------------------------------------------2 in ,S 2 + Y + Y 2v 2 iu S c n = 1 + ------------------------------------2 i n, S
(3)
如果把 ΓS 整理出来，有
F – F min Γ S – Γ opt 2 ------------------ 1 + Γ opt -----------------------= 4 rn 1 – ΓS 2
2
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
F i – F min - 1 + Γ opt 2 N i = ------------------4 rn
(7)
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >Bipolar LNA
<< >> <
>
↵
9 of 33
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 r b f T ≈ 5 GHz ， β 0 = 80 ，β ( ω ) ≈ 5.5 ，因此
(8)
• 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
2 = 4 kT γ g » MOS 管沟道热噪声 i d d 0 ⋅ ∆f 2 = 4 kTR ⋅ ∆f » 电感 Lg 的串联寄生电阻 Rl 的热噪声 v rl l 2 = 4 kTR ⋅ ∆f » MOS 管栅极多晶硅电阻 Rg 的热噪声 v rg g
5- + -------5 - + ----5- ≈ 1.6 dB F ≈ 1 + 11 ----- + ----50 50 160 60
= 11 Ω ， g m ≈ 0.1 S ，
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：
Z in ≈ r b + β ( j ω ) ⋅ j ω L E
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
<< >> <
>
↵
3 of 33
Table 1: 二端口网络噪声参数
Rn Y opt F min
2 vn -------------4 kT ∆f 2 – jB Gu ⁄ Rn + Gc c
网络等效输入噪声电阻 最佳信号源导纳，其中 最小噪声系数，其中 G opt =
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >Bipolar LNA
<< >> <
>
↵ຫໍສະໝຸດ Baidu
10 of 33
MOS LNA
Bipolar LNA 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。 CMOS LNA 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。
<< >> <
>
↵
1 of 33
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 1 dB 以下到好几个 dB – 增益 (S21) LNA
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 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
《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 Bipolar LNA MOS LNA 非准静态 (NQS) 模型和栅极感应噪声 CMOS 最小噪声系数和最佳噪声匹配 LNA 的不同结构 参考文献
东南大学射频与光电集成电路研究所 陈志恒 , Nov-17, 2002
2 in ,S
2 vn 2 in
YS
Source
Noiseless Network
Two-port Network
定义
Y S = G S + jB S , Y c = G c + jB c ,
2 2 2 vn iu in ,S - , G u = -------------- , G S = -------------R n = -------------4 kT ∆f 4 kT ∆f 4 kT ∆f
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
<< >> <
>
↵
4 of 33
那么噪声系数可以写成
4 r n Γ S – Γ opt F = F min + --------------------------------------------------( 1 – Γ S 2 ) ⋅ 1 + Γ opt 2
• 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
gm 1 - 1 - + 1 + g --------1 - + sL + ------L Z in ′ = --------sL s = --------m s sC gs C gs s sC gs sC gs
y S – y opt 2 r n F = F min + --------------------------gS
(2)
再用反射系数表示 yS 和 yopt，
1 – ΓS y S = -------------1 + ΓS 1 – Γ opt y opt = ----------------1 + Γ opt
2 iB
≈ =
2 vb
2 2 iC iC 2 2 + ----- + i B r b ≈ v b + ----2 2 gm gm
2 vn 2 in
rb rπ Cπ + v be −
Cµ
g m v be
2 in
2 iB
+ ------------------β(jω) 2
2 iC
β0 β ( j ω ) = -----------------------------------1 + j β0 ( ω ⁄ ωT )
2 + i 2R 2 ( vn + in RS ) 2 = vn n S 2 R 1 S 2 + ----2 + i 2 R 2 + ------------------- i 2 = vb i C B S 2 β(jω) 2 C gm
(6)
1 1 ∆f 1- + ------------------2 ---- + 2 qI C R S = 4 kTr b + 4 kT ------- β 0 β ( j ω ) 2 2 gm 于是 gm RS 1 rb 1 1 - ---F = 1 + ----- + --------------- + ----------- + ------------------2 β0 β ( j ω ) 2 RS 2 gm RS
(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。 vin Lg 假设 R l + R g « R S ，那么输入端的一个电压 io 源所产生的输出电流可以通过右图等效电 vgs gmvgs RS 路计算：
RS
Lg M1 Ls
Zin
Zin'
vgs Zin' Ls
gmvgs
如果 Cgs 和 Ls 谐振在工作频率 ω 0 ，则
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >MOS LNA
<< >> <
>
↵
11 of 33
gm - L ≈ ωT Ls Z in ′ = -----C gs s
因此只要使 ω 0 = 1 ⁄ L s C gs 和 R S = ω T L s 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 1 Z in ( s ) = s ( L g + L s ) + ---------- + ω T L s sC gs 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。
(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 CF
i
Γ opt = ------------1 + Ni
(5a) (5b)
(5)
1 - N i2 + N i ( 1 – Γ opt 2 ) r F = ------------i 1 + Ni
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
加上信号源内阻的热噪声
v s2 = 4 kTR S ⋅ ∆f ，上图可改成
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >MOS LNA
<< >> <
>
↵
12 of 33
Lg
Rl
2 v rl
Rg
2 v rg
M1
2 id
RS Zin Ls
v s2
按照噪声系数的定义 Total output noise power F ≡ ---------------------------------------------------------------------------------------Output noise power due to the source
<< >> <
>
↵
5 of 33
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。 GS
F
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
<< >> <
>
↵
6 of 33
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 Γ S, m 向 Γ opt 变化时，噪声系数和 功率增益减小，输入驻波 比增大。
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >Bipolar LNA
<< >> <
>
↵
8 of 33
• 当信号源内阻为 RS 时，电路的噪声系数
( vn + in RS ) 2 F = 1 + ---------------------------4 kTR S ⋅ ∆f 为了计算方便， vn 和 in 之间的相关性通常被忽略 [1], 即
则
Gu + YS + Yc 2 Rn Y S – Y opt 2 R n F = 1 + ---------------------------------------- = F min + -----------------------------GS GS
(1)
当晶体管及其偏置确定后，以下噪声参数在也可以确定：
Γopt ΓS,m
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
<< >> <
>
↵
7 of 33
Bipolar LNA
• 电路模型和等效输入噪声源
2 vb 2 vb
= 4 kTr b ⋅ ∆f
rb
Cµ rπ Cπ + v be −
g m v be
2 iC
2 = 2 qI ⋅ ∆f iC C 2 = 2 qI ⋅ ∆f iB B 2 vn