1、2020/7/7,1,低噪聲放大器(LNA),張玉明 西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院 ,第11和第12章,2020/7/7,2,為什么要學(xué)習(xí)噪聲知識？,電路能處理的信號的最小值等于噪聲的水平 設(shè)計AIC時通常需要考慮噪聲指標(biāo) 體現(xiàn)在信噪比（SNR）這一指標(biāo)上 低噪聲AIC在很多領(lǐng)域有重要應(yīng)用,2020/7/7,3,統(tǒng)計學(xué)特性,噪聲是一個隨機(jī)過程 每一時刻的幅值是不能預(yù)測的 哪些特性可以被預(yù)測？ 平均功率、功率譜密度（噪聲譜）、幅值分布,2020/7/7,4,平均功率,有些隨機(jī)過程的平均功率也不可預(yù)測,電路中大多數(shù)噪聲源有固定的平均功率，可以預(yù)測,平均功率的定義：,若x(t)為電壓信號，則Pav單位

2、為V2,均方根值（root mean square）的定義：,平均功率只反映了噪聲的功率特性（幅值特性），沒反映頻率特性,2020/7/7,5,噪聲譜,又稱為“功率譜密度” (PSD: Power spectral density) ； PSD定義為：在每個頻率上信號具有的功率的大??； 反映了噪聲的功率和頻率兩方面的特性,X(t)信號的 PSD寫為SX(f)； SX(f)定義為：f 附近1Hz帶寬內(nèi)X(t)具有的平均功率；單位V2/Hz,電路中大多數(shù)噪聲源有可預(yù)測的噪聲譜,2020/7/7,6,噪聲譜,PSD在整個頻率范圍內(nèi)為相同值 白噪聲 定理 適用于線性時不變系統(tǒng) 分析電路噪聲時的理論依據(jù)

3、,線性時不變系統(tǒng)： 具有疊加性、均勻性并且系統(tǒng)參數(shù)不隨時間變化的系統(tǒng),2020/7/7,7,噪聲譜被H(f)“整形”,電話系統(tǒng)帶寬為4KHz，聲音信號的高頻部分被濾除,2020/7/7,8,“雙邊”譜和“單邊”譜,X(t)如果是實數(shù)，則SX(f)為f的偶函數(shù)（“雙邊”譜） 從數(shù)學(xué)角度看 f1，f2頻率范圍內(nèi)x(t)總功率Pf1,f2 用帶通濾波器測量的結(jié)果為“單邊”譜（0到+Hz）,“雙邊”譜,“單邊”譜,2020/7/7,9,幅值分布,概率密度函數(shù) 噪聲瞬時值不可預(yù)測，但通過長期觀察、統(tǒng)計，可以得到每個值出現(xiàn)的概率大小 PDF：Probability density function，定義為

4、： 許多隨機(jī)量的PDF表現(xiàn)為高斯（正態(tài)）分布，如電阻的噪聲,2020/7/7,10,相關(guān)噪聲源和非相關(guān)噪聲源,電路中通常同時存在多個噪聲源 相關(guān)噪聲源 噪聲功率不可以直接疊加 非相關(guān)噪聲源 不相關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲；噪聲功率可以直接疊加,x1(t)和x2(t)不存在相關(guān)性時，第三項為零； 相關(guān)時第三項不為零； 相關(guān)性越高（波形相似程度），第三項的值越大,2020/7/7,11,相關(guān)噪聲源和非相關(guān)噪聲源,比賽前體育場中的觀眾交談，產(chǎn)生非相關(guān)噪聲，總噪聲功率低,比賽中，觀眾齊聲吶喊，產(chǎn)生相關(guān)噪聲，總噪聲功率高,AIC設(shè)計中研究的噪聲源通常是不相關(guān)的，因此噪聲功率可直接疊加,2020/7/7,12,噪聲

5、的分類,“環(huán)境”噪聲和器件噪聲 “環(huán)境”噪聲指來自電源線、地線、襯底等“外環(huán)境”的噪聲（干擾） 器件噪聲指構(gòu)成AIC的器件本身所產(chǎn)生的噪聲，如電阻、MOS管等 器件噪聲 熱噪聲 電阻噪聲、MOS管的溝道熱噪聲 閃爍噪聲 MOS管,2020/7/7,13,熱噪聲,來源 導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)運(yùn)動，引起導(dǎo)體兩端電壓波動 隨機(jī)運(yùn)動程度與絕對溫度有關(guān)，因此噪聲譜與絕對溫度成正比 電阻的熱噪聲,噪聲譜密度：SV(f)=4kTR,極性不重要，但在分析電路時要保持不變,2020/7/7,14,RC電路的輸出噪聲,計算RC電路的輸出噪聲譜和總噪聲功率,1pF電容時為64.3V,與R無關(guān)，只能增大C來減小噪聲,速度

6、和精度的矛盾,開關(guān)電容電路的采樣噪聲,2020/7/7,15,用電流源來表示熱噪聲,噪聲可以用串連電壓源來表示，也可以用并聯(lián)電流源表示 多種表示的意義 選擇合適的表示法，會降低電路分析的復(fù)雜度 完整表征噪聲需要這兩種表示法見“輸入?yún)⒖荚肼暋辈糠?2020/7/7,16,MOS管溝道區(qū)的熱噪聲,工作在飽和區(qū)的長溝道MOS管,不是體效應(yīng)系數(shù)。 長溝道MOS管的=2/3 亞微米MOS管會很大（0.25微米工藝時為2.5）,單個MOS管能產(chǎn)生的最大熱噪聲電壓：,減少gm可降低噪聲。當(dāng)gm不影響其他關(guān)鍵指標(biāo)時，應(yīng)盡量小,2020/7/7,17,MOS管歐姆區(qū)的熱噪聲,歐姆區(qū)熱噪聲 柵、源、漏的材料電阻引

7、入的熱噪聲,柵噪聲 p.263 公式10,2020/7/7,18,MOS管的閃爍噪聲,來源 載流子在柵和襯底界面處的俘獲與釋放，導(dǎo)致源漏電流有噪聲 用與柵極串聯(lián)的電壓源來模擬 載流子俘獲與釋放多發(fā)生在低頻下 其噪聲功率與所選工藝密切有關(guān),1/f噪聲,減少1/f噪聲主要靠增大器件面積,2020/7/7,19,MOS管的閃爍噪聲,1/f噪聲的轉(zhuǎn)角頻率fC,定義為： 熱噪聲和1/f噪聲曲線的交叉點(diǎn),用來界定1/f噪聲起主導(dǎo)作用的頻段,與面積和偏置電流有關(guān)。對于給定的L，fC相對固定。亞微米MOS管的fC在500KHz-1MHz之間,2020/7/7,20,MOS管的總噪聲,在1KHz1MHz頻帶內(nèi)，

8、計算NMOS管源漏電流的總噪聲,1/f噪聲：,熱噪聲：,2020/7/7,21,電路中噪聲的表示,表示方法一輸出參考噪聲電壓： 把輸入置零，計算電路中各噪聲源在輸出端產(chǎn)生的總噪聲,M1管的熱噪聲+M1管的1/f噪聲+ RD的熱噪聲,這種表示法的不足： 輸出參考噪聲與電路增益有關(guān)，無法比較不同電路的噪聲性能,2020/7/7,22,電路中噪聲的表示,輸入?yún)⒖荚肼暦从沉溯斎胄盘柋辉肼暋扒趾Α钡某潭龋苡糜诓煌娐返脑肼曋笜?biāo)的比較,表示方法二輸入?yún)⒖荚肼曤妷海?在輸入端用一個信號源來代表所有噪聲源的影響,2020/7/7,23,電路中噪聲的表示,計算輸入?yún)⒖荚肼曤妷?等效熱噪聲電阻RT ： 電路在單

9、位帶寬內(nèi)的總的輸入?yún)⒖紵嵩肼暤扔赗T 的熱噪聲,2020/7/7,24,電路中噪聲的表示,僅用與輸入串聯(lián)的電壓源來表示輸入?yún)⒖荚肼暿遣粔虻?該電路由一信號源Vin驅(qū)動，信號源輸出阻抗為sL1，電路輸入阻抗為1/sCin。 若僅用輸入?yún)⒖茧妷涸磥肀硎驹肼?，則當(dāng)L1增大時，計算得到的輸出噪聲會越來越小，與事實不符。,事實上輸出噪聲與L1和Cin無關(guān),2020/7/7,25,電路中噪聲的表示,用串聯(lián)電壓源和并聯(lián)電流源共同來表示輸入?yún)⒖荚肼?串聯(lián)電壓源和并聯(lián)電流源的計算方法：,針對信號源內(nèi)阻為零和無窮大兩種極端情形來計算,2020/7/7,26,電路中噪聲的表示,串聯(lián)電壓源和并聯(lián)電流源的計算,2020

10、/7/7,27,電路中噪聲的表示,用串聯(lián)電壓源和并聯(lián)電流源同時來表示輸入?yún)⒖荚肼?，是否把“噪聲計算了兩次”?沒有,可以證明： 對任何源阻抗ZS，計算的輸出噪聲都是正確的,證明思路： 由Vn,in和In,in，求出Vn,X，再乘以增益(gmRD)，即可求出Vn,out,2020/7/7,28,電路中噪聲的表示,2020/7/7,29,電路中噪聲的表示,2020/7/7,30,電路中噪聲的表示,2020/7/7,31,電路中噪聲的表示,2020/7/7,32,二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù),YC相關(guān)導(dǎo)納,2020/7/7,33,二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù),2020/7/7,34,我們已經(jīng)明確地把每個導(dǎo)納分解成電

11、導(dǎo)G和電納的和。一旦給定二端口網(wǎng)絡(luò)的四個噪聲摻數(shù)（Gc,Bc,Rn,Gu)。,噪聲最優(yōu)和功率最佳,2020/7/7,35,MOS最小噪聲系數(shù)和最佳噪聲匹配,MOSFET有兩個噪聲源,2020/7/7,36,MOS最小噪聲系數(shù)和最佳噪聲匹配,1、提高漏電流和柵電流的相關(guān)性c可以減少噪聲 2、工藝提高可以減少噪聲 3、F和器件寬度沒有關(guān)系，單位器件參數(shù),噪聲最優(yōu)和功率最佳,2020/7/7,37,射頻放大器中的功率匹配與噪聲匹配,2020/7/7,38,低噪聲放大器技術(shù)指標(biāo),LNA特點(diǎn) 主要參數(shù)：噪聲系數(shù)、低功耗、放大器增益、輸入阻抗匹配、線性度、隔離度等,2020/7/7,39,LNA特點(diǎn),(1

12、) 位于接收機(jī)的最前端，這就要求它的噪聲越小越好 (2)為了抑制后面各級噪聲對系統(tǒng)噪聲的影響，并對接收到的微弱信號進(jìn)行足夠的線性放大，要求放大器有足夠大的線性范圍，而且增益最好是可調(diào)節(jié)的。 (3)低噪聲放大器一般通過傳輸線直接和天線或濾波器相連，故放大器的輸入端必須和它們有很好的匹配，以達(dá)到最大功率傳輸或最小噪聲系數(shù)。 (4)應(yīng)具有一定的選頻功能，以及抑制帶外和鏡像頻率干擾的能力,2020/7/7,40,噪聲系數(shù),輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比的比值，表示信號經(jīng)過放大器后質(zhì)量的變壞程度。 實現(xiàn)低噪聲的基本思路是:采用單管單級放大，以減小有源器件引入的噪聲; 因為電阻有熱噪聲，所以匹配網(wǎng)絡(luò)宜

13、用電感負(fù)反饋，而不宜用電阻負(fù)反饋。 整個接收機(jī)所允許的噪聲系數(shù)一般在3dB以下。,2020/7/7,41,噪聲系數(shù),噪聲系數(shù)用噪聲溫度（T）來表示：噪聲系數(shù)與噪聲溫度的關(guān)系為： T=（NF-1）T0 或 NF=T/T0 +1 (T0-絕對溫度290K) n級放大器的總噪聲系數(shù)為：,2020/7/7,42,低功耗,實現(xiàn)器件便攜化、小型化的重要指標(biāo)。 降低功耗的根本方法是采用低電源電壓、低偏置電流。,2020/7/7,43,放大器增益,放大器輸出功率與輸入功率的比值： G=Pout / Pin 提高低噪聲放大器的增益對降低整機(jī)的噪聲系數(shù)非常有利，但低噪聲放大器的增益過高會影響整個接收機(jī)的動態(tài)范圍。

14、 低噪聲放大器的增益要適中，一般增益在10-20dB之間。,2020/7/7,44,控制增益的方法,改變放大器的工作點(diǎn)，由于LNA的增益與放大管的偏置有關(guān)，故可通過改變放大管的偏置條件來實現(xiàn)增益可控; 改變放大器的負(fù)反饋; 改變放大器諧振回路的Q值。 這些方法都是通過載波電平檢測電路產(chǎn)生自動增益控制電壓來實現(xiàn)的。,2020/7/7,45,輸入阻抗匹配,依據(jù)最大功率傳輸理論，當(dāng)LNA的輸入阻抗與天線的內(nèi)阻互為共扼時，稱作輸入阻抗匹配，LNA才能最大程度地接收該信號。 該匹配是以獲得最大功率傳輸和最小反射損耗為目的的共軛匹配。 以獲得噪聲系數(shù)最小為目的的噪聲匹配。 在實現(xiàn)最大傳輸功率50歐姆匹配的

15、情況下，使噪聲系數(shù)盡可能小。,2020/7/7,46,輸入阻抗匹配的重要性,最大功率傳輸 前置濾波器要求50歐姆的負(fù)載終端 PCB連線需要：傳輸線走線，匹配終端情況下不用考慮走線長度,2020/7/7,47,實現(xiàn)阻抗匹配的方法,電感源簡并 共柵放大器 并聯(lián)電阻 并聯(lián)串聯(lián)反饋 共源放大器,2020/7/7,48,射頻放大器的穩(wěn)定性,2020/7/7,49,衡量LNA性能的參數(shù)及典型值,2020/7/7,50,LNA電路結(jié)構(gòu),基本電路結(jié)構(gòu) 單端LNA 差分LNA,2020/7/7,51,具有并聯(lián)輸入電阻的共源放大器,2020/7/7,52,共柵放大器結(jié)構(gòu),2020/7/7,53,電路例子,2020

16、/7/7,54,基本電路結(jié)構(gòu),電阻R會產(chǎn)生熱噪聲，并且使晶體管前的信號衰減，噪聲系數(shù)會很差，將超過3dB,適合于寬帶放大，不會使晶體管前的信號衰減，噪聲系數(shù)比電阻端接小，但功耗較大,共柵 (C -G)放大器，噪聲系數(shù)(NF)最小為 ，NF還會隨y增大而增大。高頻和考慮柵噪聲時，噪聲系數(shù)明顯變差,由于電感本身并不引入噪聲，該電路結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)50歐姆阻抗匹配的同時，又能得到最小的噪聲系數(shù)。,2020/7/7,55,噪聲性能對比,2020/7/7,56,單端LNA,共柵方式連接的M2用來減少調(diào)諧輸出與調(diào)諧輸入之間的相互作用，并同時減少M(fèi)1的Cgd的影響。,電容 C 1 的設(shè)計目的是隔斷直流電壓信號，以

17、防止影響M1的柵-源偏置,M3與M1形成電流鏡，寬度為M1的幾分之一，使得偏置電路的附加功耗減到最小。,2020/7/7,57,差分LNA,CMOS工藝的差分LNA一般采用共源一共柵結(jié)構(gòu)形式。 電路優(yōu)點(diǎn)： 有利于減少密勒效應(yīng); 提高反向隔離度: 有效的抑制通過襯底藕合產(chǎn)生的共模噪聲; 保證輸入阻抗的電阻部分足夠大。 為了實現(xiàn)共源端的反饋電感不受襯底干擾的影響，采用恒定電流源接地的方式。,2020/7/7,58,差分LNA電路結(jié)構(gòu),在進(jìn)行比較放大時保持輸出部分信號 的相同性，差分結(jié)構(gòu)的電路將同時增 加或減小的誤差信號相互抵消，從而 確保系統(tǒng)所希望獲得的信號不失真。,輸出調(diào)諧電感Ld不僅起到對高頻

18、信號的阻遏作用，而且可以有利于輸出電路阻抗的共軛匹配，保證放大器功率增益在輸出端口不被衰減。,Ls源極負(fù)反饋電感增加從M1柵和漏看進(jìn)去的阻抗，優(yōu)化噪聲性能和輸入阻抗匹配,電容 C B 的設(shè)計目的是隔斷直流電壓信號，以防止從電源VDD來的直流信號影響放大器輸入端的信號,Lg采用平面螺旋電感，為輸入端的諧振提供了附加的自由度，從而保證了輸入阻抗的純電阻特性,2020/7/7,59,單端與差分放大器特性對比,低噪聲放大器的設(shè)計一般采用差分結(jié)構(gòu),2020/7/7,60,LNA噪聲優(yōu)化,噪聲系數(shù)一般公式 對于寬度為WoptP的器件，在功耗約束范圍內(nèi)得到的噪聲系數(shù),噪聲系數(shù)絕對最小值,2020/7/7,6

19、1,優(yōu)化后噪聲系數(shù)比較,2020/7/7,62,噪聲優(yōu)化方法,均衡了人們感興趣的所有參數(shù) 通過采用電感源端負(fù)反饋技術(shù)可以達(dá)到非常好的匹配。 對于給定的工藝和規(guī)定的功耗來說，它可以提供幾乎可能達(dá)到的最佳噪聲系數(shù)。 在輸入端的諧振條件也同時保證了較好的增益。,2020/7/7,63,LNA設(shè)計,LNA設(shè)計依據(jù)與步驟 電路設(shè)計原則 電路設(shè)計,2020/7/7,64,LNA設(shè)計依據(jù),滿足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)： 噪聲系數(shù)（或噪聲溫度）； 功耗；增益； 工作頻帶；動態(tài)范圍。,2020/7/7,65,LNA設(shè)計步驟,放大器級數(shù) 晶體管選擇 電路拓樸結(jié)構(gòu) 電路初步設(shè)計 用CAD軟件進(jìn)行設(shè)計、優(yōu)化、仿真模擬（ADS,

20、 Ansoft）,2020/7/7,66,電路設(shè)計原則,在優(yōu)先滿足噪聲小的前提下，提高電路增益，即根據(jù)輸入等增益圓、等噪聲圓，選取合適的S ，作為輸入匹配電路設(shè)計依據(jù)。 輸出匹配電路設(shè)計以提高放大器增益為主，out = Z0 （ L = 2*） 滿足穩(wěn)定性條件 結(jié)構(gòu)工藝上易實現(xiàn),2020/7/7,67,電路設(shè)計-基本電路模塊,2020/7/7,68,輸入匹配電路,要求：Zout = Zopt out = opt,2020/7/7,69,輸出匹配電路,輸出匹配電路的基本任務(wù)是把微波管復(fù)數(shù)輸出阻抗匹配到負(fù)載實數(shù)阻抗50。 輸出匹配電路應(yīng)解決的目標(biāo)有以下幾項： 1、提高增益 2、改善整機(jī)增益平坦度

21、3、滿足放大器輸出駐波比 4、發(fā)送放大器穩(wěn)定性,2020/7/7,70,MOS LNA,2020/7/7,71,MOS LNA,2020/7/7,72,MOS LNA,2020/7/7,73,MOS LNA,2020/7/7,74,MOS LNA,2020/7/7,75,MOS LNA,2020/7/7,76,MOS LNA,2020/7/7,77,最小噪聲系數(shù)和最佳噪聲匹配,2020/7/7,78,最小噪聲系數(shù)和最佳噪聲匹配,2020/7/7,79,最小噪聲系數(shù)和最佳噪聲匹配,2020/7/7,80,CMOS最小噪聲系數(shù)和最佳噪聲匹配,2020/7/7,81,設(shè)計過程,首先確定器件寬度 由功耗約束所允許的電流大小來偏置這個器件 根據(jù)相應(yīng)偏置條件下的T值選擇源端負(fù)反饋電感的值以達(dá)到所希望的輸入匹配