經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展使得各種不同用途的無線設備大量涌現(xiàn),采用CMOS工藝將不同的無線標準集成在單個芯片上,有望實現(xiàn)消費者對終端設備輕便、多功能、節(jié)能且便宜的追求。而寬帶低噪聲放大器(LNA)是實現(xiàn)靈活、緊湊、低功耗多帶多標準接收機的重要模塊。受制于CMOS工藝較大的寄生及較低的電源電壓,高性能寬帶CMOS LNA的設計是一個難點。本論文主要對寬帶CMOSLNA的帶寬擴展、低噪聲和線性化設計等展開研究。 MOSFET的特性和工作狀態(tài)對LNA的性能具有決定性影響。本文闡述了短溝道MOSFET的重要物理效應,并給出了簡化的強反型區(qū)直流模型,該模型適宜電路的定性手工設計。另外,闡述了MOSFET的小信號模型、噪聲模型和弱非線性特性,以指導LNA的設計與優(yōu)化,同時探討了部分寄生的優(yōu)化方法。 LNA足夠的帶寬是保證其能覆蓋大部分頻帶和無線標準的前提,同時較好的輸出平坦度可減小信號失真及對ADC動態(tài)范圍的要求。本文提出了一個采用較小柵電感有效實現(xiàn)了帶寬擴展的有源反饋LNA,并給出了相關分析。該電感通過增大晶體管的有效跨導補償了負載電容導致的增益下降,從而在擴展帶寬的同時實現(xiàn)了增益的平坦化。最后該LNA在65nm工藝上進行了流片驗證,其在0.4-10.6GHz內(nèi)取得了15.5±0.9dB的較平坦電壓增益,帶寬擴展比為1.43。 寬帶LNA同時接收到的其帶寬范圍內(nèi)的多路信號會相互成為帶內(nèi)干擾源,因此其需要有較好的線性度以減小信號失真。本文對有源反饋LNA的非線性進行了分析,提出了采用互補MOS管對實現(xiàn)的源級跟隨器,其可有效改善LNA的線性度。該技術在0.18μm工藝上進行了仿真驗證,相比傳統(tǒng)源級跟隨器,其對LNA IIP2和IIP3的改善分別為17.6dBm和3.1dBm。 高性能接收機往往采用差分結(jié)構(gòu),其需要使用單轉(zhuǎn)差巴倫。本文在考察了常見巴倫LNA的優(yōu)缺點后選擇了共柵-共源結(jié)構(gòu)進行改進,在共源級使用了一個PMOS后失真輔助管有效抵消了主NMOS管的二次和三次非線性,顯著地改善了共柵-共源巴倫LNA的IIP2和IIP3；通過在MOS管源端和體端串接一個大電阻有效抑制了共源放大管的襯底噪聲,在0.18μm工藝上的仿真表明,其使得巴倫LNA在1GHz處的噪聲系數(shù)由2.88dB降到了2.5dB。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TN722.3;TN851
【文章目錄】：
摘要
Abstract
目錄
插圖目錄
表格目錄
第1章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 研究現(xiàn)狀
    1.3 本文貢獻
    1.4 內(nèi)容安排
第2章 短溝道MOSFET基本特性和模型概述
    2.1 引言
    2.2 短溝道MOSFET基本物理特性
        2.2.1 閾值電壓變化
        2.2.2 縱向電場導致遷移率退化
        2.2.3 載流子速度飽和
        2.2.4 熱載流子效應
        2.2.5 溝長調(diào)制效應
    2.3 短溝道MOSFET直流模型
        2.3.1 強反型飽和區(qū)直流模型
        2.3.2 參數(shù)提取
        2.3.3 參數(shù)驗證與優(yōu)化
        2.3.4 不同工作區(qū)直流模型
    2.4 短溝道MOSFET射頻小信號模型
        2.4.1 器件內(nèi)部小信號模型
        2.4.2 外圍電阻電容子電路
        2.4.3 襯底網(wǎng)絡
    2.5 短溝道MOSFET噪聲模型
    2.6 短溝道MOSFET弱非線性特性
    2.7 本章小結(jié)
第3章 CMOS LNA的寬帶實現(xiàn)技術研究
    3.1 引言
    3.2 寬帶CMOS LNA的基本拓撲結(jié)構(gòu)
        3.2.1 電阻終端
        3.2.2 電阻反饋
        3.2.3 有源反饋
        3.2.4 共柵級
    3.3 輸入匹配拓寬技術
        3.3.1 減小等效輸入電容
        3.3.2 多階濾波器匹配
    3.4 電感峰值技術
    3.5 采用柵電感補償?shù)膶拵NA設計
        3.5.1 反饋LNA回顧
        3.5.2 柵電感補償LNA分析
        3.5.3 電路設計與仿真結(jié)果
        3.5.4 測試結(jié)果
    3.6 本章小結(jié)
第4章 CMOS寬帶LNA的線性化研究
    4.1 引言
    4.2 LNA非線性分析
        4.2.1 冪級數(shù)法
        4.2.2 Volterra級數(shù)法
    4.3 寬帶CMOS LNA線性化技術
        4.3.1 線性負反饋
        4.3.2 最優(yōu)偏置
        4.3.3 前饋補償
        4.3.4 失真抵消
        4.3.5 后失真補償
    4.4 高線性有源反饋LNA設計
        4.4.1 傳統(tǒng)有源反饋LNA的非線性分析
        4.4.2 源級跟隨器的互補實現(xiàn)
        4.4.3 反饋電阻對線性度的影響分析
        4.4.4 電路設計
        4.4.5 仿真結(jié)果
        4.4.6 測試緩沖級設計
    4.5 本章小結(jié)
第5章 CMOS寬帶巴倫LNA的低噪聲與線性化設計
    5.1 引言
    5.2 常見巴倫LNA拓撲結(jié)構(gòu)
    5.3 共柵-共源巴倫LNA特性分析
        5.3.1 輸出平衡
        5.3.2 噪聲性能
        5.3.3 非線性分析
    5.4 電路設計
    5.5 后失真補償分析
    5.6 襯底噪聲優(yōu)化分析
    5.7 仿真結(jié)果
    5.8 本章小結(jié)
第6章 總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 展望
參考文獻
致謝
在讀期間發(fā)表的學術論文與取得的其它研究成果

【參考文獻】

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1 蔡力;傅忠謙;黃魯;;A low power high gain UWB LNA in 0.18-μm CMOS[J];半導體學報;2009年11期

2 袁海泉;林福江;傅忠謙;黃魯;;A 0.18μm CMOS inductorless complementary-noise-canceling-LNA for TV tuner applications[J];半導體學報;2010年12期

3 馮立松;黃魯;白雪飛;席天佐;;A 0.18 μm CMOS 3-5 GHz broadband flat gain low noise amplifier[J];半導體學報;2010年02期

本文編號：2827083