高增益低噪声放大器(LNA)的设计

本科生毕业设计[论文] 高增益低噪声放大器（LNA）的设计
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2017年1月13日
华中科技大学IC课程设计（论文）
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作者签名：2017 年 1 月13 日
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作者签名：2017 年 1 月13 日
导师签名：2017 年 1 月13 日
摘要
低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）作为整个射频接收系统第一级，直接影响着整个系统的性能。

它的主要功能就是将从天线接收到的微弱信号进行放大，同时将其输出给后级的混频器，在这个过程中LNA引入信号中的噪声非常低，对信号进行初步的降噪处理，如果信号在通过LNA时引入的噪声较大或者没有将信号放大，那么其后的射频模块将无法对有用信号进行处理。

所以应用中的低噪声放大器必须具有最佳的噪声系数（NF），具有良好的线性度且对信号有一定的放大功能。

基于以上的研究背景，本文设计了一款高增益宽带低噪声放大器，详细的介绍了它的设计过程。

文章首先对宽带低噪声放大器进行了简单介绍，包括它的研究背景及国内外发展现状，接着介绍了在设计低噪声放大器中我们要注意的几个主要的参数，包括噪声、功率增益、输入匹配、线性度和S参数。

最后详细的介绍了我们的电路设计过程，包括一级和二级电路的选择以及其中一些工艺参数的设计，并给出了仿真结果，供大家分析和讨论。

电路实现采用了TSMC 0.18μm CMOS工艺，设计了一个200M～2GHz的高增益宽带低噪声放大器（LNA），根据题目要求，最终可以实现在工作电压为1.8V，工作电流小于16mA的条件下，噪声系数小于等于3.5Db,功率增益为15dB到20dB，IIP3大于-15dBm,单端输入阻抗达到50Ω，基本上满足了题目的要求。

关键词：宽带低噪声放大器噪声系数功率增益
Abstract
Low-noise amplifier (LNA), as the first stage of the RF receiving system, directly affects the performance of the whole system. Its main function is to receive from the antenna to the weak signal amplification, while its output to the mixer after the class. In this process, the noise in the LNA-introduced signal is very low and the signal is subjected to a preliminary noise reduction process. If the noise introduced by the LNA is large or the signal is not amplified, the subsequent RF module will not be able to detect the useful signal . Therefore, the application of low noise amplifier must have the best noise figure (NF), with good linearity and the signal has a certain amplification.
Based on the above research background, this paper designs a high-gain broadband low-noise amplifier, and introduces its design process in detail. In this paper, we briefly introduce the broadband low noise amplifier, including its background and development at home and abroad. Then we introduce several main parameters in the design of low noise amplifier, including noise, power gain, input matching , Linearity and S-parameters. Finally, the circuit design process is introduced in detail, including the choice of primary and secondary circuits and the design of some of the process parameters, and gives the simulation results for analysis and discussion.
A 200MHz ~ 2GHz high gain wideband low noise amplifier (LNA) is designed by TSMC 0.18 CMOS technology. According to the requirements, the noise figure can be achieved under the condition of 1.8V and 16mA working current. Less than or equal to 3.5Db, power gain of 15d
B to 20dB, IIP3 greater than-15dBm, single-ended input impedance of 50Ω, basically meet the requirements of the subject.
Keywords: wide band Low noise amplifier NF gain
目录
摘要 (2)
关键词： (2)
Abstract (3)
Keywords: (3)
第一章绪论 (5)
1.1 课题背景及意义 (5)
1.1.1 低噪声放大器的重要性 (5)
1.1.2 宽带高增益低噪声放大器的意义 (5)
1.2 国内外研究现状及发展趋势 (7)
1.3 论文主要工作 (8)
第二章 LNA的主要性能指标 (10)
2.1 增益 (10)
2.2噪声 (11)
2.3 动态范围和线性度 (14)
2.4输入阻抗匹配 (16)
第三章 LNA电路设计 (17)
3.1输入级的设计 (18)
3.1.1输入阻抗匹配分析 (18)
3.1.2噪声分析 (20)
3.2输出级的设计 (23)
第四章结论 (25)
致谢 (30)
参考文献 (31)
附录 (32)
第一章绪论
1.1 课题背景及意义
1.1.1 低噪声放大器的重要性
低噪声放大器是射频接受前端的主要组成部分，它位于接受前段的第一级，直接与天线信号相连。

由于其位于接受前段第一级，所以低噪声放大器在提供一定增益，对信号进行放大的同时，需要尽可能避免引入噪声，还需要具有很好的线性度。

现代无线接收机要求具有非常灵敏的电路，接收机的动态范围和灵敏度很大程度上都取决于低噪声放大器的噪声性能和线性度。

如低噪声放大器噪声系数增大0.5dB，就可能对整个接收机的链路产生很大的影响。

下图是射频接收机的简单的结构示意图，天线接收到的信号通过滤波器后LNA 放大，再被混频器转换到基带，解调完成后，信号输入到模拟数字信号转换器，将模拟信号转换为数字信号，最后数字信号输入到数字信号处理器中。

从图中可见，信号的第一级放大由 LNA完成，因此，LNA的特性决定整个接收机的性能，它对提高信息传输质量、改善接收机的噪声、增大传输距离和改善接收机的灵敏度都有着重要的作用。

图1-1：射频接收机的简单结构图
1.1.2 宽带高增益低噪声放大器的意义
随着光纤通信、移动通信、卫星通信、电子对抗、微波测量仪器、各种无线局域
网等领域向着低成本、小型化、宽频带、低噪声、更高的工作频段等方向发展，对各自的射频收发模块提出了各种新的要求。

其中高频、宽带宽通讯是一个重要的发展方向。

首先，电子侦察是未来信息战的序幕和先导，并贯穿于信息战的全过程。

随着电子对抗技术的不断发展，用于现代电子战中的电子设备如跳频通信、宽带干扰机的频带越来越宽，这就迫切要求研制出宽频带电子侦察接收机，以满足未来战争中电子对抗之需要。

其次，随着计算机网络和全球移动通信的发展，包括笔记本电脑、PDA、计算机外设、移动电话和家用电子产品等便携的数字处理设备已经成为人们日常生活和办公的必需品。

以前这些设备大多依赖电缆连接，使用不便。

实现设备之间可移动、自动互联的无线个人网络技术WPAN呼之欲出。

为此IEEE802.15.3标准应运而生，并已将3.1～5GHz和6～10.6GHz频段作为WPAN的工作频段，特别是3.1～5GHz是现阶段发展的热点。

再次，用于卫星通信、电视转播、数据与图像传输领域的现有射频接收机的性能已经远远不能满足用户高数据量、宽频带的需求，技术升级势在必行。

另外，随着数码时代的逐步推进，一机多用将为人们带来极大的便利。

比如，要求移动通信设备不仅能接收不同系统不同频段的信号，而且还能接入到蓝牙、WLAN或WPAN系统。

用传统的多个窄带射频收发机并联的方式固然可以实现上述应用，但也使成本线性增长。

而宽带射频单元却可以在不增加芯片面积和功耗的前提下，实现较宽频段内的信号全接收，具有极高的性价比。

可见，宽带通讯确实是当今无线通讯技术的一个重要发展方向。

而低噪声放大器(LNA)作为射频接收机的第一级，其性能的好坏直接影响了整个接收系统的性能。

所以，对宽带LNA的研究得到了越来越广泛的重视。

1.2 国内外研究现状及发展趋势
关于高增益宽频低噪声放大器（LNA），国内外做了大量研究。

随着CMOS工艺水平的不断提高，设计方法的不断进步，CMOS射频低噪声放大器的性能越来越高。

当然，现代无线通信系统对LNA的要求也越来越高，这必然也推动着人们不断去研究探索出新的性能更完善的LNA 。

国外在CMOS射频集成电路方面己经取得了很大的突破。

很多知名的公司、大学和研究所已经用CMOS工艺实现了低噪声放大器、压控振荡器、混频器甚至是整个收发器。

进行RFIC前端单片LNA研制的国外公司主要有: Sirenza、M/A COM、 SiGe 、Minicircuit和 Aglient等。

国外一些公司如Maxim已经推出了应用十802.11a/b/g WLAN方面的集成LNA，频率达到5～6GHz，其优点是其体积小，便十集成。

Chan R.等人采用IBM 7HP硅CMOS工艺制作的宽带LNA，带宽达到了0.5～22GHz，其最大噪声系数为5.5dB,增益平坦度为±0.7dB，功率增益为15dB。

国外以美国Sirenza微波器件公司为例，其LNA产品包含10余个产品系列，各个产品系列采用不同的半导体工艺制作(Site, InGaP, GaAs以及PHEMT等工艺)和不同的晶体管形式(BJT,HBT或FET)，但产品水平大致相当。

国内的射频电路研究工作开展的比较晚，水平也相对较低，而且大多采用的是GaAs工艺，采用CMOS工艺实现射频集成的研究工作只是在近些年才在一些高校和研究所中开展起来，进行先进CMOS工艺单片LNA设计研究的国内研究单位主要有中国电子科技集团公司第24所、55所、13所、航天771所、中科院微电子研究所以及清华微电子研究所等。

13所研制出的JDF025型低噪声放大器具有1.5～18GHz的带宽，噪声系数≤6dB,增益大于30dB。

近年来，24所采用台面硅锗HBT工艺，已研制出带宽从直流DC到SOOM～4GHz不等，增益为20～35dB内的大动态范围的宽带低噪声放大器产品，产品的性能已经处于国内领先水平。

到目前为止，射频前端CMO S射频电路设计技术尚处于研究发展阶段，还没有实现大规模的产业化。

一些基础理论的研究还不成熟，设计模型也不如其它工艺精确完
整。

然而随着研究的不断深入，CMOS RFIC的应用还是得到了肯定，而且CMOS射频电路的应用前景十分广泛，典型的应用包括移动通讯、无线局域网、蓝牙系统、卫星通讯、定位、雷达系统以及航天测控等。

一些新式的应用，如目前流行的智能家居、低功耗医疗产品和未来希望实现的可穿戴计算等，也正在研究中。

这些应用都需要各自不同的无线收发系统，为此还出现了各类新的通讯防议，一些非标准通讯协议的射频IC也大行其道。

目前已经实现的设计，其所应用的范围不过是其中的一小部分。

因此，可以预计CMOS射频技术有很好的市场前景。

从以上宽带CMOS LNA的研究现状和应用前景来看，国内外对它的深入研究还将持续下去，其发展趋势将主要集中在以下几个方向：
1）发展新的拓频结构。

现存的许多宽带结构存在一系列不良因素，如噪声大、增益低、功耗大、增益不平坦等。

寻求新的拓频方式，以达到更优的性能。

2）频带向更宽的方向发展。

更宽的带宽意味着更广泛的应用范围和更高的性价比，所以在LNA增益、NF、功耗、线性度等各项指标达到要求的前提下，总是希望放大器带宽越大越好。

3）应用频率不断提高。

随着CMOS器件特征尺寸的进一步减小，截止频率随之提高，CMOS将全面进入之前由GaAs独占的领域。

20GHz以上的CMOS宽带LNA已经有过报道。

4）设计方法论也在不断完善。

其目的是在一定结构下，寻求噪声、功耗、增益、阻抗匹配、线性度等指标的最佳折衷方案，以求能快速设计出满足条件的最优宽带。

1.3 论文主要工作
本次课程设计的主要任务是设计一个基于TMSC 0.18μm COMS高增益宽带低噪声放大器，必须满足一下要求：
1）工作电压 1.8V
2）工作电流 <16mA
3）频率范围 200M～2GHz
4）噪声系数≤3.5dB
5）功率增益 Max gain=20dB， Min gain=15dB
6）IIP3 ﹥—15dBm
7）输入阻抗单端50Ω
本论文的具体结构如下：
第一章为绪论。

主要阐述了本课题的研究背景，研究意义，介绍一下低噪声放大器（LNA），并介绍一下它的发展现状。

第二章为理论部分，主要是介绍一下研究和设计低噪声放大器时要关注的几个主要参数指标，包括：噪声系数、功率增益、输入匹配、线性度和S参数，并介绍了相关的理论，重点介绍了噪声理论，以及噪声的消除方法，这些理论基础对于我们后面设计电路，分析结果以及电路的进一步完善有很大的帮助。

第三章为电路设计部分，这是本篇论文最重要的部分，在这一部分，我们详细的介绍了如何设计一个单端输入双端输出的低噪声放大器，如何根据设计指标要求来设计电路中具体的参数和具体的电路结构，以及如何优化电路的性能，提高低噪声放大器的性能。

第四章为结论，主要是给出仿真结果并对结果进行分析，以及对论文的工作进行总结，并对未来进行展望。

第二章 LNA的主要性能指标
低噪声放大器(LNA)作为第一级增益级电路，必须满足多个性能指标，这使得低噪声放大器的设计成为射频电路设计的一大难题。

低噪声放大器的输入端接着天线，从天线接收到的射频信号一般非常弱，只能在-100dB～70dB之间，而作为低噪声放大器的后续电路的混频器是无法处理这么微弱的信号的，所以首先考虑增益要求。

其次，接收到的信号是具有一定的信噪比(SNR)，为了提高信号解调的可靠性，这就要求低噪声放大器引入的噪声要尽可能小，这涉及到了噪声系数，LNA要有一个很低的噪声系数，才能减小引入到信号中的噪声。

而后，有时天线接收到的噪声信号或干扰信号(一般称为阻塞信号)要比有用信号强度大很多，所以最好低噪声放大器还必须具有足够的线性度，这样才能使得在出现阻塞信号时，也能够正确放大有用信号。

本章主要对增益、噪声系数、线性度和输入匹配这几个基本理论概念进行了详细的介绍。

2.1 增益
低噪声放大器的增益要适中，过大会使下级混频器的输入太大，产生失真。

但又不能太小，否则无法抑制后面各级的噪声对系统的影响。

对任意射频放大器来说都有两种影响增益表现的标准，一个是射频晶体管本身，还有一个则是输入输出与整个网络的匹配程度。

图2常规放大器系统框图。

一个放大器的特点是由它的散射参数决定。

将放大器看成一个二端口网络，其中S11，S22是输入和输出的反射系数，S21，S12是正向传输系数和反向传输系数放大器。

通过框图看出，放大器的输入阻抗经过输入匹配网络和射频源阻抗匹配，输出阻抗经过输出匹配网络与负载相匹配。

对一个放大器来说，有电压增益(AV)、功率增益(G)、转换功率增益(GT)和资用功率增益(GA)，其中，转换功率增益定量描述了插入在信号源与负载之间的放大器增益，它是导出其他功率关系的基础，资用功率增益是在负载端口匹配情况下的增益，
功率增益是放大器的功率放大上限。

LNA 的增益设计通常出于两点考虑：
1) 能够对包括最小信号在内的接收信号提供足够大的增益使得 LNA 的输出信号大于后级电路的 Noise Floor。

一般而言， LNA 的后级电路 Mixer 的噪声系数通常大于 12dB，因此 LNA 的设计增益通常需要大于 12dB，才能对后级电路的噪声形成有效的抑制。

2) 对包括有效信号、噪声和干扰信号在内的所有通带内信号的放大能力必须足够小，以保障后级电路不至于出现饱和。

特别是对宽带通信系统而言，根据式 2-1，其较宽的频谱资源，使得噪声功率也较大。

P Ni= kT ∗ BW
式中波尔兹曼常数k=1.38*10-20mW∙sec/K，T为绝对温度，BW为接收机的有效噪声带宽。

由于噪声功率表现为随机函数的形式，为了更严格的系统稳定性考虑，LNA的增益应足够小，以保证在非常高的概率下，接收机都是稳定工作的，则增益设计时，一种更为苛刻的选择是对于噪声的考虑需要符合3σ准则，即接收机在99.7%的概率下都是可靠的。

图2-1: 常规放大器系统框图
2.2噪声
2.2.1噪声源
集成电路在处理模拟信号时会使信号受到两种不同种类的噪声损坏:器件的电子噪声和环境噪声。

后者主要指电路受到的来自电源或者地线、衬底的随机干扰。

下面主要介绍电子噪声，主要包括热噪声、闪烁噪声和散粒噪声等。

1.热噪声
在导体中热激励的电荷载体构成了随机变化的电流，它引起了随机的电压。

这个电压被称为热噪声。

热噪声正比与温度T，一个被称为“有效噪声功率”的量由下式给出:
P NA=KT∆f
式中，k为玻尔兹曼常数，约为1.38*10-23J/K；T为绝对温度，其单位为K;∆f 为测量范围中的噪声带宽，其单位为Hz。

有效噪声功率指传递给负载的最大功率。

传递最大功率的条件为：负载电阻等于电源内阻。

可以用图3所示的电路来计算有效噪声功率。

图2-2：电容的 RLC 模型
根据定义，由噪声电阻传递到阻值相同的另一个电阻的功率就是有效噪声功率，可以用下面的式子表示：
P R
1=kT∆f=i R
1
2×R
1|max
=
e n2̅̅̅
(R+R1)2
×R1|
max
R1=R
→P R
1
=
e n2̅̅̅
4R
式中,e n2̅̅̅是给定温度下电阻R在带宽上所产生的开路均方根噪声电压。

且e n2̅̅̅= 4KTR∆f
2.闪烁噪声
闪烁噪声也称作1/f噪声或者粉噪声，是最为神秘的一类噪声。

正如“1/f”这一项的含义一样，闪烁噪声的特点是普密度随频率的降低而无限的增加。

通过实验的测试表明许多电子系统在低频下(甚至可以达到几分之一微赫兹的低频)都表现出这样的特征。

由于缺少一致性的理论，在闪烁噪声的数学表达式中总是包含种种经验参数，下式可以看出之一现象：
N2=K
f n
∆f
式中，N为均方根噪声电流或电压，K为经验参数，与具体器件有关。

通常情况下n为一个与1相近的指数。

闪烁噪声在许多器件中都存在，如电阻，PN结，MOSFET。

我们重点讨论MOSFET 的闪烁噪声。

许多悬挂键在MO S晶体管的硅衬底与栅氧化层的界面处形成，这些悬挂键导致额外的能态产生。

当载流子运动这个交界面时会导致载流子被随机俘获，随后这些能态释放又被释放，所以会在漏电流中形成“闪烁”的噪声电流。

3.散粒噪声
散粒噪声也又叫做Schottky噪声。

由于电荷表现出离散束的特性所以当电子穿越不同的能量势垒时都会导致不连续的电流脉冲的产生。

正是由于电荷束的随机性使得散粒噪声表现出全频带的特征，也就是我们常说的白噪声特性。

散粒噪声电流取决于电子电荷、总的DC电流以及带宽。

散粒噪声取决于所有这些量，如下示：
i n2=2qI DC∆f
示中，i n是均方根噪声电流：q是电子电荷，约为1.6×10−19C；I DC是DC电流，单位为A；∆f仍是噪声带宽，单位是Hz。

散粒噪声的幅值曲线同样服从高斯分布。

非线性器件并不是都会表现出散粒噪声，但是散粒噪声要求存在电位壁垒，这就意味着散粒噪声只与非线性器件有关。

由于栅电流非常小，这一噪声源几乎可以忽略。

3.2.2噪声系数
噪声系数NF和噪声因数F是衡量电子电路和系统噪声性能的两个重要的参数。

F 表示一个内部噪声源的网络本身在信号传递时使信噪比恶化的程度，其定义为输入信噪比SNR IN和输出信噪比SNR OUT的比值：
F=
SNR IN
SNR OUT
=
S IN
N IN
S OUT
N OUT
=
S IN
N IN
∙
N OUT
S OUT
=S IN
N IN
∙
N OUT,S+∑N OUT,K
M
K=1
S OUT
=S IN
N IN
∙
N IN G2+∑N OUT,K
M
K=1
S IN G2
=
1
N IN
∙(N IN+
∑N OUT,K
M
K=1
G2
) =1+
∑N OUT,K
M
K=1
N IN G2
=1+∑
N OUT,K
N IN G2
M
K=1
一般噪声因数的对数形式称为噪声系数，记为：
NF 10logF
2.3 动态范围和线性度
低噪声放大器的动态范围是指它能够处理的最大和最小的信号的能力，它能处理的最小信号收到接受灵敏度和噪声的影响，能够处理的最大信号收到放大器线性度的影响。

动态范围需要在功耗和噪声系数之间折中。

增益压缩是当输入信号超过一定范围时，增益不再和输入信号呈线性关系，会现增益压缩的现象。

对信号失真的和非线性，我们通常用线性度表示，主要是指放大器的
二阶交调点和1dB压缩点两个参数指标。

当输入信号为x(t)=A cosω1t+A cosω2t时，输出信号：
y(t)=α1A(A cosω1t+A cosω2t)+9
4
∝3A2(A cosω1t+A cosω2t)
+3
4
∝3A3[cos(ω1−2ω2)t+cos(ω2−2ω1)t]+⋯
上式中除了基波的线性项外其余的都是不希一望出现的非线性项，并忽略了三阶以上的交调项。

三阶交调点定义为输出信号中三阶交调项等于基波项时对应的输入信号功率。

将输出电压幅值的平方除以输入电阻的两倍就得到：
IIP3=2
3
|
c1
c3
|
1
R s
放大器增压缩是当输入信号超过一定值时，器件达到饱和，增益不再和输入信号呈线性关系。

1dB压缩点是指定义为基波项小信号增益相对于线性放大时的增益下降1dB 时对应的输入信号功率，表示它可以用下面的式表示：
R1dB≈0.073|c1
c3| 1 R s
输入三阶交调点和1dB压缩点通常指这两点对应的输入信号功率，一般以功率的对数形式以dBm表示，理论上三阶交调点总是发生在1dB压缩点值后，大概相差l0dBm，可以用下面的图来描述三阶交调点和1dB压缩点。

图2-3：IIP3与R1dB压缩点示意图
2.4输入阻抗匹配
电低噪声放大器必须与其信号源匹配。

它与信号源的匹配有两种方式:一种是噪声匹配，以获得噪声系数最小为目的。

二是共扼匹配，以获得最大功率和最小反射损耗为目的。

本着节能环保的原则，低功耗成为电子产品设计的必然趋势，目前绝大多数的低噪声放大器均采用第二种匹配方法，这样做可以避免不匹配而引起的低噪声放大器向天线的能量反射。

在电路设计中，一般力求两种匹配接近，在实现最大传输功率50 Ω匹配的情况下，尽可能减小噪声系数。

匹配网络可以采用纯电阻网络，也可以采用电抗网络。

电阻网络适合于宽带放大，但电阻本身要消耗功耗，并增加噪声。

采用无损耗的电抗匹配网络不会增加噪声，但只适合窄带放大。

低噪声放大器的匹配方式大致可以分成图4所示的四种形式以及它们的组合。

图2-4：低噪声放大器四种拓扑结构
第三章 LNA电路设计
图3-1：电路设计图
上图是我们最终设计和采用的电路图，我们将电路图设计成这样，主要是因为低噪声放大器（LNA）必须至少具有如下的两个功能：○1实现单端输入双端输出，即Balun，类似与变压器，因为我们从天线接受到的信号是一个单端信号，而输出的信号要通过混频器和滤波器，要求双端输出，所以第一级电路我们设计成了单端输入双端输出；○2具有低噪声放大的功能，要对信号能够进行初步的放大和初步的筛选，根据题目要求，我们需要对功率范围为200M～2GHz的信号进行放大，所以二级电路我们选择了全差法放大器。

下面我们将具体介绍一下我们是如何设计这两级电路的，以及这样设计的原因。

3.1输入级的设计
实际应用中低噪声放大器后面都会接一个变压器或者两个变压器才能应用，我们在测量设计的电路的性能和仿真的时候就是在LNA 后面接入了一个巴伦，模拟实际的工作环境，然后查看仿真参数，是否与要求符合。

通过阅读文献和查阅相关的资料，我们选择了下图所示的电路结构来做为输入级，这个电路是一个共源级放大器和一个共栅极放大器并联而成，每一个放大器均有一个独立输出，从而构成了单端输入双端输出的差分结构。

图3-2：单端输入双端输出LNA
3.1.1输入阻抗匹配分析
因为输入级电路是由两个放大器并联而成，所以我们分别对它们进行分析，计算出它们的阻抗，然后在合并
图6所示的是电路的左半部分共栅极电路的小信号模型，它的输入阻抗为：
Z in ，CS =V in I in =V in g m1V 1
M
1
Rs
Vin
Vbias M 2
R 2 V outp
V outn R L。