（微电子学与固体电子学专业论文）cmos射频功率放大器的研究与设计.pdf

中文摘要 摘要：随着无线通信的发展，人们对于通信技术的要求不断提高，希望无论在何 时何地都能够与任何人进行包括语音通话、数据交换和图像传输的通信。 功率放大器是无线发射器中必不可少的组成部分，也是整个发射机中耗能最 多的部件，输出功率一般比较大。射频功率放大器的主要作用就是放大射频信号， 以输出大功率为目的。射频信号功率的放大实质上是在输入射频信号的控制下将 电源直流功率转换为高频功率。相对于其它无线收发组件，大功率、高线性、高 效率是功率放大器的基本设计要求。 本文介绍了基于t s m c0 1 8 u mc m o s 工艺的功率放大器的设计，给出了仿真 结果和版图设计。该电路采用两级放大结构，单端输入单端输出。第一级采用共 源共栅放大电路，第二级采用差分放大电路，输出由一个平衡不平衡电路转化为 单端输出。在3 3 v 的供电电压下，最大输出功率为1 6 2 5 d b m ，增益为2 0 d b ，输 入l d b 压缩点位1 3 d b m ，带宽为1 g h z 2 g h z ，满足设计指标要求。 关键词：c m o s ；功率放大器；射频集成电路 分类号：t n 7 2 2 7 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，p e o p l en e e dm o r e a d v a n c e dt e c h n o l o g i e so fc o m m u n i c a t i o n ，a n dh o p et h e yc a nk e e pt o u c hw i t ho t h e r p e r s o nb yv o i c e ，d a t ao rp i c t u r ei na n y t i m eo ra n y w h e r e p o w e ra m p l i f i e ri st h ek e yp a r to ft h er ft r a n s m i t t e r , a n di ti sa l s ot h em o s tp o w e r c o n s u m p t i o nm o d u l e si nr fs y s t e m t h ep r i m a r yf u n c t i o no fr fp o w e ra m p l i f i e ri st o a m p l i f yt h er fs i g n a la n dg e tal a r g eo u t p u tp o w e r t h ee s s e n t i a lo fa m p l i f y i n gs i g n a li s t ot r a n s f o r md cp o w e ri n t oh i g hf r e q u e n c yp o w e r c o m p a r i n gw i t ho t h e rr fm o d u l e s ， t h eb a s i cd e s i g na i mi sl a r g ep o w e r , h i g hl i n e a r i t ya n dh i 曲e f f i c i e n c y t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g no fap o w e ra m p l i f i e rb a s e do na0 18 u mc m o s t e c h n o l o g yf o r3 gm o b i l ep h o n e s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dl a y o u t a r ep r o v i d e d i ti s i m p l e m e n t e di nt w o s t a g ec i r c u i ta n db i a s e di nc l a s sa t h ef i r s ts t a g ei s ac a s c a d e c i r c u i t ，a n dt h es e c o n ds t a g eu s ead i f f e r e n t i a lp a i r b yu s i n ga b a l a n c e u n b a l a n c ec i r c u i t ， i tc a l lt u r nt h ed o u b l e - o u t p u tt os i n g l e o u t p u t a tas u p p l yv o r a g eo f3 3 v ，i t sg a i n i s 2 0 d b ，p l d b = 1 3 d b m ，t h em a x i m u mo u t p u tp o w e ri s1 6 2 5 d b ma n dt h eb a n d w i d t hi s f r o m1 g h zt o2 g h z k e y w o r d s ：c m o s ；p o w e ra m p l i f i e r ；r fi n t e g r a t e dc i r c u i t c i a s s n o ：t n 7 2 2 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 孤博 签字日期：沪7 年厂月i ；日 导师签名：鹤乙 签字日期：刎夕年g 月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：琵悸签字日期：如彳年月心日 6 7 致谢 本论文的工作是在我的导师袁晓军教授的悉心指导下完成的，袁晓军教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 袁晓军老师对我的关心和指导。 骆丽教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向骆丽老师表示衷心的谢意。 骆丽教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，朱振华、金腾等同学对我论文中的c a d e n c e 仿 真工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 感谢在百忙之中抽出时间参加论文评阅的各位专家。 1 引言 1 1 研究背景和意义 1 8 6 4 年，麦克斯韦在伦敦英国睾家学会首次发表的一篇文章中，综合人类关 于电学和磁学的知识，提出了电场和磁场通过其所在的空间中交连耦合会导致波 传播的设想，从理论上预言电磁波的存在。其后，1 8 8 7 年赫兹用实验证明了麦克 斯韦的猜想。进入二十世纪，1 9 0 7 年弗瑞斯特发明了世界上第一只具有放大作用 的电子器件真空三极管。此后，无线通信经历了巨大的变化，从1 9 2 0 年的无 线广播和1 9 3 0 年的电视传输，到1 9 8 0 年的移动电话和1 9 9 0 年的全球定位系统， 以及当今的移动通信和无线局域网( w l a n ) ，无线通信的进展对社会文化的发展 产生了巨大的影响，无时无刻的影响和改变着每个人的生活方式。 在电信通讯技术的发展过程中，半导体技术起了决定性的作用，自1 9 6 2 年以 来，电话技术迅速地向数字传输和交换发展，正是由于固体电子学有了突破性的 进展。通信技术的进一步发展要求无线通信设备能在任何地方、任何时间使用，这 就要求终端设备体积小、重量轻、功耗低，这就对集成电路技术提出了更高要求【l l 。 未来的信息交流，特别是与人直接关联的信息交流正在朝着无线和移动的方向发 展。包括移动通信、无线局域网、卫星通信等在内的各类无线移动技术正在快速 发展。所有这些系统都需要射频技术、射频系统或者射频集成电路。 射频收发机包括低噪声放大器( l o wn o i s ea m p l i f i e r ，l n a ) 、混频器( m i x e r ) 、 振荡器( v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ，v c o ) 和功率放大器( p o w e ra m p l i f i e r ，p a ) 等 模块。其中，功率放大器是射频收发机的最后一级，在整个系统中占有十分的地 位，它对于提高发射信号强度、降低电源消耗、减小体积重量等起着关的作用， 研究集成功率放大器具有重要的意义。 在r f 领域中，性能、工艺的要求要比数字集成电路本身复杂得多。其中，功 耗、速度、成品率是最主要的参数由于印刷电路工艺的不断完善和单片集成度的 提高，这些性能不可避免地得到提高。同时，r fi c 还要考虑到噪声( 宽带和窄带) 、 线性度、增益和功效。这样，应用于r fi c 中的优化器件一直在不断完善和发展。 在集成电路工艺选择上，以往普遍采用g a a s 、b i c m o s 工艺等，g a a s 具有 载流子迁移率高、衬底半绝缘和禁带较宽的优点，它制成的集成电路也具有了频 率高、功耗低、速度快和抗辐射能力强的优点。随着c m o s 晶体管特征尺寸的不 断下降、沟道长度不断的减小、截止频率不断上升，使其应用于设计以往只能采 用b i c m o s 、s i g e 和g a a s 工艺实现射频集成电路成为可行【2 】，基于各种工艺技 术的射频收发机的比较如表1 1 所示【3 】。另外一方面，随着无线通信系统的发展， 人们对便携性和耐用性的要求越来越高，对降低成本的要求也越来越强烈。在s i c m o s 、b i c m o s 、b i p o l a r 、g a a s 、异质结( h b t ) 、s i g e 等众多工艺中，由于s ic m o s 工艺成本最低，应用也最为广泛，并且绝大多数射频收发机的基带处理部分都是 用c m o s 工艺实现的，为了实现单芯片的无线收发机，必须采用c m o s 工艺来同 时实现射频功率放大器。 表1 1 射频收发机各种工艺实现比较 p a r a m e t e r sg a a s g a a sg a a ss i s i g eh l p m e s f e th b th e m tc m o sh b t h b t d e v i e es p e e d g o o dg o o dg o o df a i rg o o d e x c e l l e n t c h i pd e n s i t y l o w h i g h l o wl o w h i g hh i g h t r a n s c o n d u c t a n c em e d i u mh i g h h i g h l o w h i g hh i g h d e v i c em a t c h i n gp o o rg o o d p o o r p o o rg o o dg o o d l f n o i s ep o o rg o o dp o o rp o o rg o o dg o o d p a em e d i u m h i 曲h i g h m e d i u m m e d i u m h i g h l i n e a r i t yh i g hh i g hh i g h l o wm e d i u m h i g h o u t p u t m e d i u ml o wm e d i u m h i g l l l o wl o w c o n d u c t a n c e i n t e g r a t i o nl e v e l m s l m s l m s i v l s i l s i ， m s i l s il s il s iv l s il s i b r e a k d o w n h i g l lh i g l l h i 曲 m e d i u mm e d i u m h i g i l v o l t a g e p o s s i b l ep r i m a r yv c o ， p a ，g a i nl n a ，g a i n l n a ，p a ，l n a ，p a ， p a ，l n a ， a p p l i c a t i o n s i nm 谈e f b l o c k s b l o c k s ， g a i ng a i nv c o l 疆t r a n s c e i v e r ss 、斩t c h e ss w i t c h e s b l o c k s b l o c k s 移动通信由第二代发展到第三代，会给相应的信息处理带来一系列新课题和 难题，如工作频段由8 0 0 9 0 0 m h z 提高到2 g h z ；信号带宽由g s m 2 0 0 k h z ( i s 9 5 的1 2 5 m h z ) 提高到5 m h z 。当前由于3 g 网络刚开始运行，在以后相当长的一段时 间内，将会出现3 g 网络和2 g 网络并存的局面，这就使得设计移动终端设备必须 要考虑2 g 和3 g 的共同要求。对于功率放大器来说，这就是要使得各项指标同时 2 在9 0 0 m h z 和2 g h z 频率下满足要求。 设计宽带功率放大器要兼顾宽带放大器和功率放大器的要求：它们都设计需 要特有的拓扑结构、匹配网络和偏置网络，并且功率放大器还需要考虑大信号下 的输入输出阻抗、精确的非线性模型、功率合成网络、散热等。实际上，设计功 率放大器，就某个指标来说，是完全可以做得很高的。但是现在的通信系统往往 对功放各方面的指标都提出了较高要求，例如，在宽频带上面，要做到高线性度、 高效率、增益平坦和低噪声，这就并非易事，尤其是在大信号状态下，要做到宽 带匹配，也是比较困难的。每个单独的问题都相对容易解决，但当它们都变成宽 带问题时，设计难度将会倍增。而且，当频带宽至多倍频程时，每个环节的设计 都面临巨大的挑战。 1 2 国内外现状 自从1 9 9 6 年，m o t o r o l a 设计出了第一个硅衬底上的集成功率放大器【4 1 以来， c m o s 射频功率放大器的发展就有了长足的进步。以表1 - 2 5 】为例，关于功率放大 器的论文，仅2 0 0 1 年一年的文章数就超过了上个世纪五十年代到7 0 年代3 0 年论 文总数的和，而2 0 0 5 年更是达到了1 4 7 5 篇。 表1 - 2i e e e 关于功率放大器论文的统计表 t a b 1 - 2t h es t a t i s t i c so ft h ep ap a p e r sb yi e e e 年份 1 9 5 0 1 9 8 01 9 8 0 1 9 9 0l9 9 0 - - 2 0 0 02 0 0 1 2 0 0 5 文章数 9 7 11 3 4 4 6 6 6 99 9 91 4 7 5 近十年来，国外c m o s 射频功率放大器取得了极大的进展，c m o s 工艺也 由0 6um 、0 3 5pm 、0 2 5l am 、0 1 8um 再到9 0 n m 演变，而相应的设计的复杂 度也在提高。 国内也出现了为数不多的几篇c m o s 射频功率放大器设计的相关文章。文献 【6 】中，采用t s m c0 1 8l amc m o s 工艺设计了工作在5 g h z 频率下的a 类功放， 电源电压3 3 v ，增益为2 3 7 d b ，可用于无线局域网中，文章给出了仿真结果。文 献 7 中，采用c m o s 标准工艺实现，工作频率为9 0 0 m h z ，电源电压3 v ，输出功 率为2 0 m w ，文章也给出了仿真结果。 表1 3 给了近几年来国外一些文献中所实现的c m o s 射频功率放大器。 3 表1 - 3 国外文献技术指标 文献时间 工艺频率 电压输出功率p a e类型 f 8 】 2 0 0 l 0 3 5 l i m 1 7 5 g h z3 3v3 0 d b m4 4 c 【9 】 2 0 0 2 o 2 5um 1 4 g h z1 5v2 4 8 d b m4 9 f 【1 0 2 0 0 3o 2 5 u m5 2 5 g h z2 5v1 5 4 d b m 2 1 a 【1 1 1 2 0 0 4o 5 u m1 7 5 g h z3 3v2 4 d b m2 9 a b 【1 2 】 2 0 0 59 0 1 1 1 1 19 0 0 m h z1 4v1 0 d b m4 0 e 【1 3 】 2 0 0 5o 1 8u m3 g h z3 v2 4 d b m 5 0 a b 【1 4 】 2 0 0 6o 1 8pm2 4 g h z3v1 9 3 d b m 4 9 5 9 f 【1 5 2 0 0 8 o 1 8 u m2 7 g h z1 8v1 4 d b m 1 3 2 1 6 】 2 0 0 8 o 1 8um6 1 0 g h z1 5v p l d b ，5 d b m 1 4 4 当今，市场上主要的射频芯片产品还是由一些欧美的大公司所控制的，比如 美国的高通公司在c d m a 芯片的市场份额中超过4 0 ，而美国的s k y w o r k 公 司也在手机射频芯片占有很大的市场份额。不过现在市场上，c m o s 工艺实现的 功率放大器还是非常少的。 台湾的联发科技最近几年得到了极大的发展，2 0 0 5 年底，联发科技已成为中 国手机基带芯片的主要供货商，占到了5 0 的市场份额。而且其手机射频芯片也 有后来居上的态势。 目前国内自主研发的移动通信射频芯片产品还处于起步阶段，而c m o s 射频 功率放大器的研究更加的少。 上海清华晶芯电子有限公司首次在国内研制成功2 4 g h z 射频前端芯片组 c m o s 集成电路，2 0 0 3 年3 月7 日，通过了由上海市科委组织的专家鉴定。此项 目突破了r f i c 产品设计的高难度障碍，填补了国内的空白，它采用o 1 8l zmc m o s 工艺。 上海鼎芯半导体在2 0 0 4 年1 2 月2 0 日宣布成功开发出用于“小灵通 手机 终端的射频集成电路收发器和功率放大器芯片组。近日，宣布开始提供中国第一 颗基于硅b ic m o st 艺，用于1 9 g h z 的射频集成电路功率放大器工程样片。这 款射频功率放大器采用美国捷智半导体先进的纯硅b ic m o s 工艺技术。2 0 0 6 年 1 1 月1 日，鼎芯通讯宣布开始提供其自主研发的t d - s c d m a 射频与模拟基带工程样 片。这是鼎：签继2 0 0 4 年1 2 月推出震动全球业界的“中国射频第一芯 后的又一 重大技术突破。 4 1 3 射频c m o s 芯片的设计流程 射频芯片的设计流程大致可以分为五步【l7 1 ，见图1 1 。第一步，根据系统协 议物理层标准确定收发机结构；第二步，根据系统功能和指标进行模块划分和系 统规划，确定各个模块的性能指标；第三步，根据代工厂提供的器件模型，使用 电路分析工具进行各个模块的电路设计，即前仿真，若不满足指标，则返回模块 的划分与系统规划，直到仿真满足要求；第四步，根据代工厂提供的工艺文件， 使用版图设计工具进行各个模块的版图设计，并进行参数提取和后仿真，直至满 足指标要求；第五步，向代工厂提交g d s i i 文件，进行芯片制造( 流片) 。流片 完成后进行芯片测试，若满足指标，则芯片设计结束；若不满足指标，则返回模 块划分与系统规划，重新进行芯片的优化设计。 图1 1 射频芯片的设计流程图 f i g 1 - 1t h ef l o wc h a r to fr fi cd e s i g n 5 1 4 论文组织 本论文的主要任务是研究基于3 g 移动通信网络的移动终端设备射频发射机 的功率放大器，要既能适用于3 g 网络，也能适用于2 g 网络，这就使得要分别在 在工作频率为1 g h z 和2 g h z 的情况下，功率放大器的输出功率达到1 0 d b m ，线 性度p l d b 为1 3 d b m ，噪声系数小于5 d b ，并且电路处于稳定工作状态。本论文共 分五章，组织结构如下： 第一章，介绍了研究背景、国内外的研究进展和市场应用，并且简单介绍了 射频芯片的设计流程。 第二章，介绍了射频收发系统的主要结构、分类和主要电路模块的主要性能 参数。 第三章，详细分析了各种功率放大器的电路结构和性能特点，并且讨论了功 率放大器的线性化技术。 第四章，研究并设计出了可分别工作在1 g h z 和2 g h z 的c m o s 射频功率放 大器，给出了仿真结果并且作出了版图设计。 最后，在结论中给出了本论文设计的结论和成果，对本论文所作的工作进行 了总结。 6 2 射频收发系统概述 2 1 射频收发机结构 收发机是由接收机和发射机组成的一个系统。在射频收发机系统中，接收机 部分完成射频信号的接收、滤波、放大、混频、下变频后将信号送到基带进行处 理；而发射机则刚好相反，将信号上变频到载频，然后经功率放大器进行功率放 大，最后经天线发射出去。 2 1 1 射频接收机结构 射频接收机结构主要包括超外差接收机、零中频接收机、二次变频宽中频接 收机、二次变频低中频接收机和镜像抑制接收机等。 超外差接收机结构( 如图2 1 所示) ，通过适当地选择中频频率、高品质的滤 波器和中频滤波器可以获得很好的灵敏度、选择性和动态范围，一直以来是接收 机的首选。超外差接收机通过混频器将高频信号转变为中频信号在进行信号滤波 和调制，这就有效地解决了处理高频信号遇到的困难。但是，由于使用高o 值的 带通滤波器，只能在片外实现，这也就增大了接收机的成本和尺寸。并且，目前 的集成电路工艺将高q 值的带通滤波器和其他射频电路集成在一块芯片上有很大 的困难。所以，目前超外差接收机在单片集成上难以实现。 图2 - 1 超外差接收机结构框图 f i g 2 1t h ef r a m e w o r ko ft h es u p e rh e t c r o d y n er e c e i v e r 零中频接收机【1 8 】，如图2 - 2 所示，是接收机最自然和最直接的实现方法，并 且早于超外差接收机。零中频接收机的特别之处在于下变频过程中不需要经过中 频，并且镜像频率就是信号本身，不存在干扰，这就可以不用使用中频滤波器和 7 镜像频率滤波器。这样一来，就简化了电路模块，有利于系统的单片集成，降低 了成本。但是，零中频接收机也存在直流偏差、本振泄露和闪烁噪声的问题。 图2 2 零中频接收机结构框图 f i g 2 - 2t h ef r a m e w o r ko ft h ed i r e c tc o n v e r s i o nr e c e i v e r 二次变频宽中频接收机采用两次复混频，有效地解决了镜频干扰的问题。与 超外差接收机相比，其省去了片外滤波器，抬高了系统的集成度。与零中频接收 机相比，基本不存在直流漂移和本振泄露的问题。但是，二次变频宽中频接收机 也具有很难获得大变频范围和相邻信道干扰严重的缺点。 二次变频低中频接收机与宽中频接收机一样也是采用两次复混频来抑制镜频 干扰，不同的地方是降低了中频频率。与直接变频相比，高频本振泄露产生的支 流偏移不会干扰有用的低中频信号。 镜像抑制接收机有h a r t l e y 镜像抑制接收机和w e a v e r 镜像抑制接收机两 种，其中h a r t l e y 镜像抑制接收机如图2 3 所示。与h a r t l e y 镜像抑制接收机相比， w e a v e r 镜像抑制接收机用两个混频器取代了9 0 。移相器。 & l p f - 9 0 0 j 一 、 1 一， l p f 图镜像抑制接收机 - 8 卜 2 1 2 射频发射机结构 射频发射机由三部分组成，即射频前端、基带处理部分和应用接口，如图2 4 所示。由于射频前段对于整个发射机的影响最大，所以对性能的要求也是最高的， 这一部分通常有模拟电路来实现。而基带处理部分和应用接口部分是在较低的频 率下进行的，依靠现在成熟的数模变换技术和数字信号处理技术，这两部分功能 主要采用数字技术来实现。这样就提高了射频发射机的集成度。射频发射机主要 有超外差式发射机、直接上变频发射机和直接数字调制结构等。 天线 图2 4 射频发射机的组成 f i g 2 _ 4c o m p o s e o fr ft r a n s m i t t e r 应用 超外差式发射机是最常用的一种发射机结构，如图2 5 所示。基带信号经过 d a 转换，在经过中频滤波器除去混叠信号，然后和本地振荡信号在上变频器中 进行混频，再由镜像抑制滤波器抑制镜像信号和滤除谐波成分，最后由功率放大 器进行功率放大并经过天线发射出去。超外差发射机的集成度受到镜像抑制滤波 器的影响，所以对滤波器具有很高的要求。另外，超外差发射机的中频频率一般 比较高，这样就增加了基带处理和数模转换器的实现难度。 i l o q 产j l 0 2 图2 - 5 超外差发射机结构 f i g 2 - 5t h ef r a m e w o r ko ft h es u p e rh e t e r o d y n et r a n s m i t t e r 9 直接上变频发射机是将基带信号直接正交上变频到载波频段，上变频过程不 会产生镜像信号，也就避免了镜像抑制的问题，结构框图如图2 6 所示。基带信号 经过数模转换和低通滤波后，再由正交上变频器转换到射频频段，然后由功率放 大器进行功率放大，最后经由匹配网络和天线发射出去。这种发射机结构简单， 但是，功率放大器的输出信号会对本振形成干扰。为了避免这种干扰，本振频率 可以通过加减偏移量来获得，这就使得功率放大器的输出信号频率与产生本振频 率的两个振荡频率有较大的差别，从而避免了本振牵引。 q 图2 - 6 直接上变频发射机 f i g 2 6t h ed i r e c tu p - c o n v e r s i o nt r a n s m i t t e r 直接数字调制结构【1 9 】如图2 - 7 所示，频率合成器的输出信号受基带数字信号 的调制。 基带数字信号 图2 7 直接数字调制结构 f i g 2 - 7t h ed i r e c td i g i m lm o d u l a t i o na r c h i t e c t u r e l o r 2 2 射频系统组成 一个完整的射频收发系统是由低噪声放大器、混频器、压控振荡器、锁相环 电路、功率放大器以及各种无源器件组成。其中每个部分都有其不同的性能指标 和参数要求。 2 2 1 低噪声放大器 低噪声放大- 器( l n a ) 作为接收机的第一个模块，它的主要功能是提供足够的增 益以克服后续各级的噪声，并且它自身的噪声系数将直接加到系统的噪声系数中， 对系统的噪声性能影响最大，所以要使l n a 的噪声系数尽可能的低。另外，l n a 的输入输出匹配也是设计时要着重考虑的，因为端口是否匹配对射频电路的性能 影响很大，作为一个独立模块，一般都设计成与一个标准的阻抗匹配，如5 0q 。 低噪声放大器的主要指标有：噪声系数( f ) 、增益( s 2 1 ) 、输入输出匹配( s i l s 2 2 ) 、反向隔离( s 1 2 ) 和线性度( i p 3 ，p l d b ) 。其中，噪声系数的大小取决于系 统的要求，与放大器的工作频率、静态工作点和工艺有关，是低噪声放大器最为 关键的指标；增益的大小也是取决于系统要求，比较大的增益有利于减小低噪声 放大器后级电路噪声对接收机的影响，但是增益过大也会导致线性度的恶化，所 以低噪声放大器的增益控制应适中；输入输出匹配决定输入端的食品滤波器的频 响，其输入端应匹配到第一滤波器的输出阻抗，其输出端应匹配到第二滤波器的 输入阻抗；反向隔离反映了低噪声放大器输出端与输入端的隔离度，隔离度越大， 输出端的信号越不容易返回到输入端，放大器的性能也就越好；线性度反映了放 大器的线性输出状态。 l n a 的基本结构如图2 8 所示，其中m i n 和m o u t 分别是输入输出匹配网络， 它们由无源器件电阻、电感和电容组成；z s 和z l 分别是输入源阻抗和输出漏阻 抗；l n ac o r e 是l n a 的核心部分，它由有源晶体管各种结构组成。在c m o s 电 路中有三种基本的放大电路，共源、共栅和共漏，其中由于共漏结构对于输入信 号没有放大作用，因此它一般不用来作为放大级，所以在这罩主要讨论前两种结 构。 图2 8 低噪声放人器的基本结构 f i g 2 - 8b a s i cc o n f i g u r a t i o no fl n a 输入端并联电阻的共源放大器是通过在输入端并联一个5 0q 的电阻来达到输 入阻抗匹配的要求，如图2 - 9 所示。 v i v dd v o 图2 - 9 输入端并联电阻的共源放大器 f i g 2 - 9i n p u tp a r a l e l lr e s i s t e ro fc s l n a r p 提供5 0q 的实部阻抗。忽略c 列的影响，这种放大器的输入阻抗为 1 乙= r p ”毒( 2 - 1 ) 通过设置r e = 足，该放大器可以提供5 0q 的实部阻抗，当c 酗不是很大的时候， 可以达到比较好的阻抗匹配性能。 在忽略c 酣的情况下，该放大器的电压增益为 4 = 一j 1g m 吃万1 其中，为输入节点引入的主极点 1 2 面丽再 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 与普通放大器相比，其低频电压增益下降了一半，而主极点频率提高了一倍。 若仅考虑m o s 管的沟道热噪声，则放大器的总输出噪声功率为 只。w = 尼z r g ：r ：鲈+ 七7 砩g ：鲈+ 4 尼玩d 。矽 而由信号源内阻引起的输出噪声功率为 1 2 ( 2 4 ) 岛= k t r s 9 2 , , , r ；a f( 2 - 5 ) 若毋= 足，则放大器在低频下的噪声因子为 ，：争：2 + 一4 y 上( 2 - 6 ) 口g m r s 若放大器中没有r ，则噪声因子为 f = l + 上 ( 2 7 ) n 、， “g m a s 对比式2 6 和式2 7 可知，电阻b 的加入，一方面引入了一个与输入源噪 声一样大小的热噪声，另方面又使得信号在进入共源放大器之前就衰减了一半， 增大了共源放大器内部产生的噪声对噪声系数的贡献。在频率比较好的情况下， 这种放大器结构的噪声性能更差。 共栅低噪声放大器的基本结构如图2 1 0 ( a ) 所示。其中m i 的栅接地，l s 与 m 1 的栅电容c g s 以及寄生电容c p 谐振达到输入匹配，负载电感l d 与寄生电容 c d 组成l c 谐振以提高输出阻抗以及l n a 电压增益。信号从m 1 的源端( r f i n ) 输 入，从m 1 的漏端( r f o u t ) 输出。图2 1 0 ( b ) 是c g l n a 的小信号噪声计算模型。 模型中的艺，毛分别为沟道热噪声、感应栅噪声和信号源电阻热噪声，g m 、 。分别为m 1 的跨导和衬底跨导，为m 1 的输出电阻。 示为 ( a ) 电路示意图 ( a ) s c h e m a t i c ( b ) 小信号噪声计算模型 ( b ) s m a l ls i g n a lm o d e lf o rc a l c u l a t en o i s e 图2 1 0 共栅低噪声放大器 f i g 2 - 10g a s c a d el n a 在所有噪声源与受控电流源忽略的情况下，共栅放大器的输入阻抗z i n 可以表 乙= 丽意犏 ( 2 - 8 ) 其中，z 为晶体管衬底跨导与晶体管跨导的比值，定义为：z = 勺么。式2 7 中，若假设m 1 的输出电阻很大，而且忽略衬底偏置效应，即z = 0 ，那么输入阻 抗可以表示为 z。：(2-9) g m 对于共栅低噪声放大器的噪声系数，首先求出各噪声源的传递函数 “= 煮勰k g o , g = - 嵩勰1 + 咫 _ 1 + ( 1 + z ) g 。】。g ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) o j - r s + r d ， 1 + 丘( 1 + z 一) g m r s 乞( 2 - 1 2 ) 为了简化起见，这里假设晶体管输出电阻远大于源电阻，即么 磁，而且 忽略衬底偏置效应，那么可以简化为 根据各噪声源的表达式可以得到输出噪声表达式如下： l - 7 旷- - gr s 2 百4 k t 1 4 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) 呶 垃呶 上 | ； 。一 尺一 一“ 瓦= 志b 也咧c 1 2 警鹕| c | 悟 孓2而4kt(g万,rs)2l+gr s ) 似1 _ i c | 2 ) 警5 9 d“(。2 叫?o ( 2 - 1 8 ) f = 警- l + 考上+ 燮俐c o o咔l 居瓦1i c o o g m r s 5 c o t 5 ( 2 1 9 ) 最船 口 、 h f b 缉 、7 从式2 1 8 可以看出，第二项含有噪声因子y ，是沟道热噪声对输出总噪声的 贡献；第三项含有噪声因子6 ，是感应栅噪声中与沟道噪声无关部分对输出总噪声 的贡献；第三项同时含有噪声因子6 和丫，是沟道热噪声与感应栅噪声的相关项对 输出总噪声的贡献。 比较上述的两种低噪声放大器结构，与共栅低噪声放大器相比，共源低噪声 放大器结构可以获得相对较低的噪声系数和较高的有效跨导；但共栅低噪声放大 器的输入阻抗对寄生、工艺等的影响不敏感，比较稳定，可以做宽带匹配，而共 源低噪声放大器不能做到这些。 2 2 2混频器 混频器是一种非线性时变电路，它主要依靠电路本身的非线性来完成频率转 换功能。混频器是射频收发机中的核心模块，它的性能对整个射频系统的性能具 有很大的影响，它的主要技术参数有【2 0 】【2 1 1 ： 1 噪声系数 在接收机里，混频器作为县变频器使用，考虑到低噪声放大器的增益有限而 混频过程通常会引入很大的噪声，所以为了降低对低噪声放大器增益的要求，下 变频器也需要有较低的噪声系数。而在发射机罩，混频器是作为上变频起来使用， 由于发射机中有用信号是最强的信号，所以对上变频器噪声系数的要求不像下变 频器那么严格。 对于下变频器而言，存在着两种噪声系数：单边带噪声系数和双边带噪声系 数。混频器的噪声系数通常是很大的，这是由于混频电路存在非线性，因此本振 信号会产生高阶谐波成分，这些谐波成分与其它频带内的噪声混频，混频后的结 果也位于中频频带，极大地增加了混频器的噪声系数。 1 5 2 变频增益损耗 单边带混频电路的一个总要参数就是变频损耗k 。变频损耗描述了中频输出 功率与射频输入功率之间的关系。变频损耗越大则输入射频功率栓化的中频功率 就越少。变频损耗可以定义为： l c ( d b ) = l o l g - 每 ( 2 - 2 0 ) g c ( d b ) 划g 毒- l o l g - 惫- - e ( 2 _ 2 ) 其中，为射频输入功率，昂为中频输出功率。 与二极管检波电路类似，二极管混频电路的变频损耗也是来源于三部分：二 极管损耗、失配损耗和谐波损耗。二极管混频电路的变频损耗为： 厶( 招) = 厶+ 厶+ 厶 ( 2 - 2 2 ) 如果使用晶体管作为混频器件，输出的中频功率大于输入的射频功率，这是 用变频增益描述混频电路的特性。 g c ( 锄= l o l g p w ( 2 2 3 ) 由于中频端1 ：3 和射频端1 3 的阻抗可能不一致，在使用电压计算混频电路变频增益 时需要注意计算公式。如果射频输入端1 3 的阻抗为，并且电压为，中频输 入端口阻抗为，则电路的变频增益为： g c ( d b ) = 2 0 1 9 v w _ 1 0 l g 惫 ( 2 2 4 ) 3 端口隔离度 在混频电路中，隔离度定义为一个端口的输入信号与其他端口得到的该频率 信号功率的衰减量，通常以d b 作为单位。高隔离度的混频电路是可以实现的，依 赖于采用电路类型和使用的器件。 混频电路端口之间隔离度差将产生以下影响：射频信号祸合进入本振端口， 会干扰本振电路的正常工作；本振信号通过祸合进入射频端口，导致本振信号线 外泄漏；本振端口向中频端口耦合的信号幅度高，会影响中频电路的工作。 1 6 4 阻抗匹配 对于混频电路三个端口的阻抗匹配的要求是：对于该端口的工作频率的信号 需要严格匹配；对于其他端口的工作频率的信号则需要全反射。对于有用的信号 应该能够最大限度的进入混频电路，所以需要设计匹配电路提高混频电路的变频 增益。这样的设计既可以提高端口之间的隔离度，又可以充分利用信号的能量以 提高混频电路的变频增益。 5 线性度 线性度决定了混频器能处理的最大信号强度，无论是应用于接收机还是发射 机中的混频器，其输入信号能量都较高，因为混频器必须有较高的线性度。线性 度通常用l d b 压缩点和三阶交调点( i p 3 ) 来描述。 混频器主要有无源混频和有源混频器两大类【2 2 1 。 无源混频器包括阻性f e t ( 开关) 混频器、二极管混频器( 如图2 1 1 所示) 和亚采样混频器。 l 图2 - 1 1 二极管混频 f i g 2 - 11d i o d em i x e r 无源护混频器不需要直流偏置电流，功耗很下，并且电路中器件数目少，电 路本身的噪声性能很好。但是，在实际应用中仍然有很大的限制，这是由于转换 增益低，在理想的情况下仅为2 厨。 有源混频器主要有单平衡开关型混频器( 如图2 1 2 所示) 和双平衡混频器( 如 图2 1 3 所示) 。 1 7 一 )v r fl 图2 1 2 单平衡开关型混频器 f i g 2 - 1 2s i n g l e - b a l a n c e dm i x e r 图2 1 3 双平衡混频器 f i g 2 - 13d o u b l e - b a l a n c e dm i x e r 图2 1 4 电流复川混频器 f i g 2 - 1 4c u r r e n t - r e u s em i x e r 1 8 图2 1 4 所示的双平衡混频器是由两个完全相同的单平衡混频器组成，偏置电 压v b l 由共模负反馈电路提供。这种电流复用混频器止血单端输入，但实现了l o 口语环口之间的隔离，同时又具有单平衡和双平衡电路的优点。 2 2 3 锁相环( p l l ) 锁相环p l l 是一个相位负反馈系统，它是通过比较输入信号和一个振荡器的 输出信号的相位，取出与这两个信号的相位差成正比的电压作为误差电压来控制 振荡器的频率，达到使其与输入信号频率相等的目的。 工程应用上的锁相环各式各样，但无论多么复杂的锁相环都由三个基本功能 部件组成： l 、鉴相器( p 时h a s ed e t e c t o r ) 2 、环路滤波器( l f - i ，0 0 pf i l t e r ) 3 、压控振荡器( v c o - - - v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 由这三个基本部件组成的锁相环如图2 1 5 所示。 图2 1 5 基本锁相环组成原理图 f i g 2 - 15b a s i ca r c h i t e c t u r eo fp l l 由图2 1 5 可见，锁相环是一个反馈系统【2 习( 闭环控制系统) 。控制系统的目的 是使系统的输出量按照预定规律变化，使系统的输入量与预定值成对应关系。反 馈网络测量输出量并形成反馈量。控制器用来检测输入量与反馈量之间的偏差并 产生一个控制信号。在这个控制信号的作用下，控制对象的输出向着预定值变化， 最终消除或减小偏差，最后得到所需要的输出值。闭环控制系统的指标主要是稳 定性、准确性、快速性。为了使这些指标满足一定要求，往往需要在控制器和控 制对象之问串接一个校正网络，图2 1 6 就是一个带有校j 下网络的闭环控制系统。 1 9 图2 1 6 带有校正网络的闭环系统 f i g 2 1 6c l o s e d l o o ps y s t e m 、以t hc o r r e c t i n gn e t w o r k 由此可见，在锁相环中，鉴相器是控制器，压控振荡器是控制对象，环路滤 波器是校正网络，基本锁相环中反馈网络的传递函数为l 。实际应用中，为了要得 到更高的频率，需要对v c o 的输出频率进行n 分频，此时的反馈网络是个分频反 馈网络，其传递函数就不为1 。 锁相环的工作原理是：通过比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位 差，产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频。在环 路开始工作时，如果输入信号频率与压控振荡器频率不同，则由于两信号之间存 在固有的频率差，它们之间的相位差势必一直在变化，结果鉴相器输出的误差电 压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡