CMOS低噪声放大器的设计与优化

论文摘要

低噪声放大器（Low noise amplifier,LNA）是无线接收机射频前端的第一个有源模块,其性能对整个无线通信系统都有着重要的影响,因此研究CMOS低噪放的设计优化具有重要的意义。本文的工作主要有以下几点:1、研究了LNA中的Miller效应。跨导管栅漏电容Cgd对放大器输入阻抗和频率响应的影响通常称为Miller效应,由于CMOS低噪声放大器结构复杂,大部分文献都忽略了栅漏电容Cgd的影响。本文根据反馈分解理论将栅漏电容Cgd等效分解到放大器输入输出两端,利用戴维南定理对完整的LNA小信号等效电路进行求解,提出了考虑Miller效应后的LNA等效模型。2、基于修正后的LNA等效模型,对LNA的输入匹配、噪声系数、输出匹配、增益、线性度、稳定性及功耗等性能进行了分析,提出了相应的解析公式。3、基于性能解析公式,以功耗和增益等性能参数为约束条件,提出了一种以几何规划（Geometric Programming,GP）作为全局搜索算法的低噪声放大器优化方法。仿真结果表明,基于修正模型的性能解析公式能够更加准确地描述低噪放的输入阻抗和噪声性能。与已有的设计相比,根据修正公式优化得到的LNA功耗更低,噪声性能更好。4、根据全集成LNA的电路特点,提出了基于几何规划搜索算法的全集成LNA优化设计方法。由于片上电感的品质因数通常都比较低,其寄生电阻引入的噪声与MOSFET的噪声相比是一个较大的值,本文将包括了电感寄生噪声及MOSFET噪声的LNA噪声系数公式设为优化目标,从而在电感寄生噪声与MOS管噪声之间获得了最佳噪声折中。5、对目前存在的各种可变增益LNA结构进行了分析和对比,提出了一种增益可调,并且输入输出阻抗匹配、噪声、功耗、稳定性等性能均良好的可变增益LNA电路。版图基于TSMC 0.18um CMOS工艺,电路设计已送工艺厂家进行流片制造。

论文目录

• 致谢
• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 低噪放研究现状
• 1.3 论文贡献及安排
• 第2章 噪声理论
• 2.1 噪声统计方法
• 2.2 电路器件中的噪声
• 2.3 噪声系数及噪声匹配
• 2.4 多级线性网络级联噪声
• 第3章 共源共栅源级电感负反馈LNA
• 3.1 MOSFET模型
• 3.2 LNA Miller效应分析
• 3.3 LNA输入阻抗匹配
• 3.4 LNA噪声分析
• 3.4.1 LNA栅电阻热噪声
• 3.4.2 LNA栅感应噪声
• 3.4.3 LNA沟道热噪声
• 3.4.4 LNA噪声系数
• 3.5 LNA性能参数分析
• 3.5.1 输出阻抗匹配
• 3.5.2 功率增益
• 3.5.3 线性度
• 3.5.4 稳定性
• 3.5.5 低功耗设计
• 第4章 2.4GHZ LNA优化与设计
• 4.1 GP算法介绍
• 4.2 基于理想电感的LNA电路GP优化
• 4.3 全集成的LNA电路GP优化
• 4.4 增益可变的LNA设计
• 4.4.1 VG-LNA结构分析
• 4.4.2 VG-LNA设计
• 4.4.3 VG-LNA版图设计与后仿结果
• 结束语
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文