發(fā)布時(shí)間：2020-11-20 17:11

　　 超聲診斷由于其對人體的傷害小等特點(diǎn),受到了廣泛的關(guān)注和研究。隨著醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)向著體積小功耗小的趨勢發(fā)展,模擬接收前端系統(tǒng)受到了廣泛的關(guān)注。本文針對超聲成像模擬前端接收系統(tǒng)中的CMOS低噪聲放大器(low noise amplifier,低噪放,LNA)進(jìn)行深入研究和設(shè)計(jì)。本文首先詳細(xì)分析了CMOS低噪放的各個(gè)性能參數(shù),如噪聲、線性度、阻抗匹配以及穩(wěn)定度。不僅介紹了用于二端口網(wǎng)絡(luò)分析的S參數(shù)分析,而且還簡要分析了超聲成像系統(tǒng)。其中,分析了換能器的種類和特點(diǎn),超聲信號的特點(diǎn)和動態(tài)范圍以及系統(tǒng)功耗要求,為LNA設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。并且,由于動態(tài)范圍大的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了LNA的后級電路TGC放大器(Time Gain Compensation,TGC)�；赥SMC0.18μm工藝,TGC的增益能夠?qū)崿F(xiàn)4種值的設(shè)置(0/12/26/40dB)。本設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)的寬帶放大器結(jié)構(gòu),將并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)與共柵結(jié)構(gòu)相結(jié)合,采用電流復(fù)用、跨導(dǎo)增強(qiáng)原理實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)反饋/共柵混合差分結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器。該電路能夠在低功耗的情況下實(shí)現(xiàn)良好噪聲性能。電路基于TSMC0.18μm工藝,對電路進(jìn)行設(shè)計(jì),在工作頻率100kHz到10MHz內(nèi)電路的S11小于-12dB,S22小于-20dB,增益13dB,反向隔離度小于-39.52dB,噪聲系數(shù)小于2.65 dB,三階交調(diào)點(diǎn)為-8.85dBm,功耗為2mW。對于電路版圖的設(shè)計(jì),本文對核心放大管上采用了共質(zhì)心匹配方式,版圖的面積為90μm*240μm。所設(shè)計(jì)的LNA輸入輸出匹配度好,增益適中,反向隔離度好,線性度良好,噪聲性能良好且功耗低。另外,通過對換能器的模型的分析,本文提出了與傳統(tǒng)超聲系統(tǒng)低噪放輸入匹配方式ART(Active Resistive Termination)結(jié)構(gòu)不同的電容消除技術(shù)(Active Capacitive Cancellation Technology,ACC)。低噪放的核心放大器采用兩級放大結(jié)構(gòu),分別是PMOS折疊共源共柵輸入級和AB類輸出級。電路采用共模反饋電路穩(wěn)定共模電壓和高擺幅的方式偏置電路,同時(shí)還設(shè)計(jì)了帶隙基準(zhǔn)電路給偏置電路提供“理想”的電流源�；赥SMC0.18μm工藝對電路進(jìn)行設(shè)計(jì),將本文提出的ACC技術(shù)與傳統(tǒng)的ART技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩種匹配的方式進(jìn)行了比較和分析,并確定了ACC反饋電容的最優(yōu)值。在工作頻率100kHz到10MHz內(nèi),電路的增益為17.85dB,輸入?yún)⒖荚肼曤妷汗β首V密度為1.4nV Hz。最后對電路進(jìn)行了版圖設(shè)計(jì),同樣對放大器核心管采用了共質(zhì)心匹配的方式,版圖的面積為290μm*130μm。所設(shè)計(jì)的電容消除技術(shù)的LNA性能相比于傳統(tǒng)ART技術(shù)帶寬增大,增益高,噪聲性能良好。綜上,本文根據(jù)超聲成像模擬前端系統(tǒng)的需求,設(shè)計(jì)了兩種低噪聲放大器,以及LNA后級電路TGC放大器,并且對每個(gè)電路的性能進(jìn)行仿真以及分析。另外,作者還對并聯(lián)反饋共柵混合結(jié)構(gòu)放大器以及電容消除技術(shù)放大器按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN722.3
【部分圖文】：

圖3.15 SFBCG 放大器 1dB 壓縮點(diǎn)仿真結(jié)果線性度1dB壓縮點(diǎn)仿真結(jié)果，仿真是在頻率為5.01MHz，1dB壓縮階交調(diào)點(diǎn)仿真結(jié)果，當(dāng)輸入雙音信號為 5.009MHz 和 5.011-8.85dBm，足夠高，很難產(chǎn)生三階交調(diào)失真。另外，三階9.85dB，與 2.2.3 節(jié)的理論分析相差不大。

圖3.15 SFBCG 放大器 1dB 壓縮點(diǎn)仿真結(jié)果線性度1dB壓縮點(diǎn)仿真結(jié)果，仿真是在頻率為5.01MHz，1dB壓縮交調(diào)點(diǎn)仿真結(jié)果，當(dāng)輸入雙音信號為 5.009MHz 和 5.011-8.85dBm，足夠高，很難產(chǎn)生三階交調(diào)失真。另外，三階.85dB，與 2.2.3 節(jié)的理論分析相差不大。

圖3.17 SFBCG 版圖電路版圖實(shí)現(xiàn)過程中，往往會引入一定工藝偏差，但是我們不希望工藝偏差出現(xiàn)在關(guān)鍵管子上，否則就會導(dǎo)致電路性能變差，有時(shí)候?qū)е码娐窡o法正常工作[45]。所以，關(guān)鍵電路關(guān)鍵管子必須做到匹配。指狀交叉法同質(zhì)共心匹配和虛擬器件（dummy）法等是常用的手段。SFBCG 混合放大器的關(guān)鍵管子是作為同時(shí)作為共柵管和共源管的兩個(gè)PMOS和NMOS放大管。對這四個(gè)管子采用了同質(zhì)共心匹配方式，周圍加Dummy管子，使得工藝偏差盡量減小來減小對實(shí)際電路性能的破壞。另外，電阻使用 poly層，因?yàn)?poly 電阻的阻值相對于摻雜層電阻的組織更容易精確控制。因?yàn)楸倦娐匪褂玫碾娙葸^大如果集成到片內(nèi)會占據(jù)很大的面積，所以采用片外分立電容。本文所設(shè)計(jì)的SFBCG混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低噪放的版圖如圖3.17所示，電路外圍加上了隔離環(huán)，以防止在整個(gè)芯片上模擬與數(shù)字信號的互相影響。另外，不同層金屬走線盡量垂直交叉較少重疊面積。金屬線寬度在滿足電流的需要下盡量的小。最終，低噪放的面積為240μm*90μm。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 ;高性能模擬前端產(chǎn)品提升醫(yī)療設(shè)備成像質(zhì)量[J];電子設(shè)計(jì)技術(shù);2008年05期

2 幸新鵬;李冬梅;王志華;;CMOS帶隙基準(zhǔn)源研究現(xiàn)狀[J];微電子學(xué);2008年01期

本文編號：2891735