射频低噪声放大器设计学习教案

1、会计学1射频射频(sh pn)低噪声放大器设计低噪声放大器设计第一页，共104页。4/20/20222第1页/共104页第二页，共104页。4/20/20223Pavlimt1Tx2(t)dtT /2T /2有些有些(yuxi)随机过程随机过程的平均功率也不可预的平均功率也不可预测测电路中大多数噪声源有固电路中大多数噪声源有固定的平均功率，可以定的平均功率，可以(ky)预测预测平均功率的定义平均功率的定义(dngy)：若若x(t)为电压信号，则为电压信号，则Pav单单位为位为V2均方根值（均方根值（root mean square）的定）的定义：义：2/2/2)(1limTTtavdttxTP

2、rms平均功率只反映了噪声的功率特性（平均功率只反映了噪声的功率特性（幅值特性），没反映频率特性幅值特性），没反映频率特性第2页/共104页第三页，共104页。4/20/20224又称为又称为“功率谱密度功率谱密度” (PSD: Power spectral density) ；PSD定义定义(dngy)为：在每个频率上信号具有的功率的大小；为：在每个频率上信号具有的功率的大小；反映了噪声的功率和频率两方面的特性反映了噪声的功率和频率两方面的特性X(t)信号信号(xnho)的的 PSD写为写为SX(f)；SX(f)定义为：定义为：f 附近附近1Hz带宽带宽内内X(t)具有的具有的平均功率；单平

3、均功率；单位位V2/Hz电路中大多数噪电路中大多数噪声源有可预测的声源有可预测的噪声谱噪声谱第3页/共104页第四页，共104页。4/20/20225)2()(,)()()(2jfsHfHfHfSfSXY线性时不变系统：线性时不变系统：具有具有(jyu)叠加性、均匀叠加性、均匀性并且系统参数不随时间性并且系统参数不随时间变化的系统变化的系统第4页/共104页第五页，共104页。4/20/20226电话系统带宽电话系统带宽(di kun)为为4KHz，声音信号的高频部分被滤除，声音信号的高频部分被滤除第5页/共104页第六页，共104页。4/20/202272121122, 1)(2)()(ff

4、XffXffXffdffSdffSdffSP“双边双边(shungbin)”谱谱“单边单边”谱谱第6页/共104页第七页，共104页。4/20/20228的概率dxxXxdxxPX)(第7页/共104页第八页，共104页。4/20/202292/2/21212/2/212/2/222/2/212/2/221)()(21lim )()(21lim )(1lim)()(1lim )()(1limTTtavavTTtTTtTTtTTtavdttxtxTPPdttxtxTdttxTdtttxTdttxtxTPx1(t)和和x2(t)不存在相关不存在相关性时，第三项为零；性时，第三项为零；相关时第三项不

5、为零相关时第三项不为零；相关性越高（波形相相关性越高（波形相似似(xin s)程度），第程度），第三项的值越大三项的值越大第8页/共104页第九页，共104页。4/20/202210比赛前体育场中的观众比赛前体育场中的观众交谈，产生非相关交谈，产生非相关(xinggun)噪声，总噪噪声，总噪声功率低声功率低比赛中，观众比赛中，观众(gunzhng)齐声齐声呐喊，产生相关呐喊，产生相关噪声，总噪声功噪声，总噪声功率高率高2/2/2121)()(21limTTtavavavdttxtxTPPPAIC设计中研究设计中研究的噪声源通常是的噪声源通常是不相关的，因此不相关的，因此噪声功率可直接噪声功率可

6、直接叠加叠加第9页/共104页第十页，共104页。4/20/202211噪声n闪烁噪声nMOS管第10页/共104页第十一页，共104页。4/20/202212HznVVKTRfRkTIfkTRVnnn/ 91. 0300 ,50)(4);(422噪声噪声(zoshng)谱谱密度：密度：SV(f)=4kTR极性不重要，但在分析极性不重要，但在分析(fnx)电路时要保持不变电路时要保持不变第11页/共104页第十二页，共104页。4/20/20221311)(sRCsVVRout1414)()()(22222fCRkTRjVVfSfSRoutRoutCkTdffCRkTRPoutn02222,1

7、441pF电容电容(dinrng)时为时为64.3V与与R无关，只能增大无关，只能增大C来减小噪声来减小噪声,速度和精度的矛盾速度和精度的矛盾开关电容电开关电容电路的采样噪路的采样噪声声第12页/共104页第十三页，共104页。4/20/202214)(4);(422fRkTIfkTRVnn第13页/共104页第十四页，共104页。4/20/202215工作工作(gngzu)在饱和区的长沟在饱和区的长沟道道MOS管管 不是体效应系数。不是体效应系数。长沟道长沟道(u do)MOS管的管的 =2/3亚微米亚微米MOS管会很大（管会很大（0.25微米工艺时微米工艺时为为2.5）2222)32(4O

8、mOnnrgkTrIV单个单个MOS管能产生的最大热噪声电压：管能产生的最大热噪声电压：减少减少gm可降低噪声。当可降低噪声。当gm不影响其不影响其他关键指标时，应尽量小他关键指标时，应尽量小第14页/共104页第十五页，共104页。4/20/202216栅噪声栅噪声(zoshng)p.263 公式公式10第15页/共104页第十六页，共104页。4/20/202217FVKfWLCKVoxn2252101数量级1/f噪声噪声(zoshng)减少减少1/f噪声主要靠增大器件面积噪声主要靠增大器件面积第16页/共104页第十七页，共104页。4/20/202218（对长沟道器件） 8313242

9、kTgWLCKfgfWLCKgkTmoxcmcoxmfWLCKVoxn121/f噪声噪声(zoshng)的转的转角频率角频率fC定义为：定义为：热噪声热噪声(zoshng)和和1/f噪声噪声(zoshng)曲线的交叉点曲线的交叉点用来界定用来界定1/f噪声起主导作噪声起主导作用的频段用的频段与面积和偏置电流有关。对于与面积和偏置电流有关。对于给定的给定的L，fC相对固定。亚相对固定。亚微米微米MOS管的管的fC在在500KHz-1MHz之间之间第17页/共104页第十八页，共104页。4/20/202219)32(42mngkTI6362,10)32(4)1010)(32(4mmtotngkT

10、gkTI1/f噪声噪声(zoshng)：热噪声：热噪声：22/1 ,1mOXfngfWLCKIfWLCKVoxfn12/1 ,WLCKgWLCKgfdfWLCKgIOXmOXmMHzKHzOXmftotn2321122/,1 ,91. 610ln第18页/共104页第十九页，共104页。4/20/202220表示方法一表示方法一输出参考噪声电压：输出参考噪声电压：把输入置零，计算把输入置零，计算(j sun)电路中各噪声源在输出端产生的总噪电路中各噪声源在输出端产生的总噪声声Vn,out2 4kT23gmKCoxWL1fgm24kTRDRD2M1管的热噪声管的热噪声(zoshng)+M1管的管

11、的1/f噪声噪声(zoshng)+ RD的热噪声的热噪声(zoshng)这种表示法的不足这种表示法的不足：输出参考噪声与输出参考噪声与电路增益有关，电路增益有关，无法比较不同电无法比较不同电路的噪声性能路的噪声性能第19页/共104页第二十页，共104页。4/20/202221输入参考噪声反映了输入信号被噪声输入参考噪声反映了输入信号被噪声“侵害侵害”的程度的程度(chngd)，能用于不同电路的噪声指标的比较，能用于不同电路的噪声指标的比较表示表示(biosh)方法二方法二输入参考噪声电压：输入参考噪声电压：在输入端用一个信号源来代表所有噪声源的影响在输入端用一个信号源来代表所有噪声源的影响2

12、2,2,voutninnAVV第20页/共104页第二十一页，共104页。4/20/202222Vn,in2Vn,out2Av2Vn,out2gm2RD2Vn,in2 4kT23gmKCoxWL1fgm24kTRDRD21gm2RD2 4kT23gmKCoxWL1f4kTgm2RD计算输入参考噪声计算输入参考噪声(zoshng)电压电压等效热噪声电阻等效热噪声电阻RT ：电路在单位带宽内的总的输入电路在单位带宽内的总的输入(shr)参考热噪声等于参考热噪声等于RT 的热噪声的热噪声）（热噪声部分DmminnRggkTV22,1324DmmTRggR2132第21页/共104页第二十二页，共10

13、4页。4/20/202223仅用与输入仅用与输入(shr)串联的电压源来表示输入串联的电压源来表示输入(shr)参考噪声是不够的参考噪声是不够的该电路由一信号源该电路由一信号源Vin驱动，信号源输出阻抗驱动，信号源输出阻抗为为sL1，电路输入阻抗为，电路输入阻抗为1/sCin。若仅用输入参考电压源来表示噪声若仅用输入参考电压源来表示噪声(zoshng)，则当，则当L1增大时，计算得到的输出噪声增大时，计算得到的输出噪声(zoshng)会越来越小，与事实不符。会越来越小，与事实不符。事实上输出噪声与事实上输出噪声与L1和和Cin无关无关第22页/共104页第二十三页，共104页。4/20/202

14、224用串联电压源和并联电流源用串联电压源和并联电流源共同共同(gngtng)来表示输入参来表示输入参考噪声考噪声串联串联(chunlin)电压源和并联电流源的计算电压源和并联电流源的计算方法：方法：针对信号源内阻为零和无穷大两种极端情形针对信号源内阻为零和无穷大两种极端情形来计算来计算第23页/共104页第二十四页，共104页。4/20/202225串联电压串联电压(diny)源和并联电流源的计算源和并联电流源的计算)/1(432422,噪声不含fRgkTgkTVDmminn22222,2,)4324()1(DDmDmininnoutnRRkTgkTRgCIV)132(4)(222,Dmmi

15、ninnRggkTCI第24页/共104页第二十五页，共104页。4/20/202226用串联电压源和并联电流源用串联电压源和并联电流源同时来表示输入参考噪声同时来表示输入参考噪声(zoshng)，是否把，是否把“噪声噪声(zoshng)计算了两次计算了两次”？没有没有(mi yu)可以证明：可以证明：对任何源阻抗对任何源阻抗ZS，计算的输出，计算的输出噪声都是正确的噪声都是正确的证明思路：证明思路：由由Vn,in和和In,in，求出，求出Vn,X，再乘以增益，再乘以增益(gmRD)，即可求出，即可求出Vn,out 第25页/共104页第二十六页，共104页。4/20/202227第26页/共

16、104页第二十七页，共104页。4/20/202228第27页/共104页第二十八页，共104页。4/20/202229第28页/共104页第二十九页，共104页。4/20/202230第29页/共104页第三十页，共104页。4/20/202231YC相关相关(xinggun)导纳导纳第30页/共104页第三十一页，共104页。4/20/202232第31页/共104页第三十二页，共104页。4/20/202233GsRBBGGGGsRYYGFnsCscunscu222)()(11我们已经明确地把每个导纳分解成电导我们已经明确地把每个导纳分解成电导G和电纳的和。一和电纳的和。一旦给定旦给定(

17、i dn)二端口网络的四个噪声掺数（二端口网络的四个噪声掺数（Gc,Bc,Rn,Gu)。)()(2122minmin2optsoptssnCoptnoptcnusoptcsBBGGGRFFGGRFGGRGGBBB噪声噪声(zoshng)最优和功率最最优和功率最佳佳第32页/共104页第三十三页，共104页。4/20/202234MOSFET有有两个两个(lin )噪声源噪声源第33页/共104页第三十四页，共104页。4/20/2022351、提高漏电流和栅电流的相关性、提高漏电流和栅电流的相关性c可以减少噪声可以减少噪声2、工艺提高可以减少噪声、工艺提高可以减少噪声3、F和器件和器件(qji

18、n)宽度没有关系，单位器件宽度没有关系，单位器件(qjin)参数参数噪声噪声(zoshng)最最优和功率最佳优和功率最佳第34页/共104页第三十五页，共104页。4/20/202236第35页/共104页第三十六页，共104页。4/20/202237第36页/共104页第三十七页，共104页。4/20/202238第37页/共104页第三十八页，共104页。4/20/202239第38页/共104页第三十九页，共104页。4/20/202240第39页/共104页第四十页，共104页。4/20/202241第40页/共104页第四十一页，共104页。4/20/202242之间。第41页/共1

19、04页第四十二页，共104页。4/20/202243(kngzh)第42页/共104页第四十三页，共104页。4/20/202244第43页/共104页第四十四页，共104页。4/20/202245第44页/共104页第四十五页，共104页。4/20/202246第45页/共104页第四十六页，共104页。4/20/202247第46页/共104页第四十七页，共104页。4/20/202248第47页/共104页第四十八页，共104页。4/20/202249第48页/共104页第四十九页，共104页。4/20/202250第49页/共104页第五十页，共104页。4/20/202251第50页

20、/共104页第五十一页，共104页。4/20/202252第51页/共104页第五十二页，共104页。4/20/202253电阻电阻R会产生热噪声会产生热噪声，并且，并且(bngqi)使使晶体管前的信号衰减晶体管前的信号衰减，噪声系数会很差，噪声系数会很差，将超过将超过3dB适合于宽带放大，不会使晶适合于宽带放大，不会使晶体管前的信号衰减，噪声系体管前的信号衰减，噪声系数比电阻端接小，但功耗数比电阻端接小，但功耗(n ho)较大较大共栅共栅 (C -G)放大器，噪声系数放大器，噪声系数(NF)最小为最小为 ，NF还会随还会随y增大而增大。高频和考虑栅噪增大而增大。高频和考虑栅噪声时，噪声系数明

21、显变差声时，噪声系数明显变差由于电感本身并不引入噪声由于电感本身并不引入噪声，该电路结构在实现，该电路结构在实现50欧姆欧姆阻抗匹配的同时，又能得到阻抗匹配的同时，又能得到最小的噪声系数。最小的噪声系数。第52页/共104页第五十三页，共104页。4/20/202254第53页/共104页第五十四页，共104页。4/20/202255共栅方式连接的M2用来减少调谐输出与调谐输入之间的相互作用，并同时(tngsh)减少M1的Cgd的影响。电容电容 C 1 的设计目的是隔断的设计目的是隔断直流电压信号，以防止影响直流电压信号，以防止影响(yngxing)M1的栅的栅-源偏源偏置置M3与与M1形成电

22、流镜，宽形成电流镜，宽度为度为M1的几分之一，使得的几分之一，使得(sh de)偏置电路的附加偏置电路的附加功耗减到最小。功耗减到最小。第54页/共104页第五十五页，共104页。4/20/202256n为了实现共源端的反馈电感不受衬底干扰的影响，采用恒定电流源接地的方式。第55页/共104页第五十六页，共104页。4/20/202257 在进行比较放大时保持输出部分信号的相同性，差分结构的电路将同时增加或减小的误差信号相互抵消，从而(cng r)确保系统所希望获得的信号不失真。输出调谐电感输出调谐电感(din n)Ld不仅不仅起到对高频信号的阻遏作用，而且起到对高频信号的阻遏作用，而且可以有

23、利于输出电路阻抗的共轭匹可以有利于输出电路阻抗的共轭匹配，保证放大器功率增益在输出端配，保证放大器功率增益在输出端口不被衰减。口不被衰减。Ls源极负反馈电感增加从M1栅和漏看进去的阻抗，优化噪声性能和输入阻抗匹配电容 C B 的设计目的是隔断直流电压信号，以防止从电源VDD来的直流信号影响放大器输入端的信号Lg采用平面螺旋电感，为输入端的谐振提供了附加的自由度，从而保证了输入阻抗的纯电阻特性第56页/共104页第五十七页，共104页。4/20/202258低噪声放大器的设计一般采用差分(ch fn)结构第57页/共104页第五十八页，共104页。4/20/20225922min()() nso

24、ptsoptsRFFGGBBGmin1 2.4PTF min1 2.3TF 噪声系数绝对(judu)最小值第58页/共104页第五十九页，共104页。4/20/202260200.51.1150.61.4100.91.951.63.3TmindF （ B）mindFP（B）minminFFP和的估计值（ =2， =4， =0.85）第59页/共104页第六十页，共104页。4/20/202261第60页/共104页第六十一页，共104页。4/20/202262第61页/共104页第六十二页，共104页。4/20/202263第62页/共104页第六十三页，共104页。4/20/202264第6

25、3页/共104页第六十四页，共104页。4/20/202265第64页/共104页第六十五页，共104页。4/20/202266输入匹配电路输出匹配电路微 波器 件SP3P1P2P4a1a2b1b2Z0Z012sLZinZoutZ sZL第65页/共104页第六十六页，共104页。4/20/202267第66页/共104页第六十七页，共104页。4/20/202268n4、发送放大器稳定性第67页/共104页第六十八页，共104页。4/20/202269第68页/共104页第六十九页，共104页。4/20/202270第69页/共104页第七十页，共104页。4/20/202271第70页/共

26、104页第七十一页，共104页。4/20/202272第71页/共104页第七十二页，共104页。4/20/202273第72页/共104页第七十三页，共104页。4/20/202274第73页/共104页第七十四页，共104页。4/20/202275第74页/共104页第七十五页，共104页。4/20/202276第75页/共104页第七十六页，共104页。4/20/202277第76页/共104页第七十七页，共104页。4/20/202278第77页/共104页第七十八页，共104页。4/20/202279第78页/共104页第七十九页，共104页。4/20/202280第79页/共104页第八十页，共104页。4/20/202281第80页/共104页第八十一页，共104页。4/20/202282第81页/共104页第八十二页，共104页。4/20/202283第82页/共104页第八十三页，共104页。4/20/202284第83页/共104页第八十四页，共104页。4/20/202285第84页/共104页第八十五页，共104页。4/20/