經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展使得各種不同用途的無(wú)線(xiàn)設(shè)備大量涌現(xiàn),采用CMOS工藝將不同的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)集成在單個(gè)芯片上,有望實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者對(duì)終端設(shè)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(shí)現(xiàn)靈活、緊湊、低功耗多帶多標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)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(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)。本論文主要對(duì)寬帶CMOSLNA的帶寬擴(kuò)展、低噪聲和線(xiàn)性化設(shè)計(jì)等展開(kāi)研究。 MOSFET的特性和工作狀態(tài)對(duì)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(yīng),并給出了簡(jiǎn)化的強(qiáng)反型區(qū)直流模型,該模型適宜電路的定性手工設(shè)計(jì)。另外,闡述了MOSFET的小信號(hào)模型、噪聲模型和弱非線(xiàn)性特性,以指導(dǎo)LNA的設(shè)計(jì)與優(yōu)化,同時(shí)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(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的前提,同時(shí)較好的輸出平坦度可減小信號(hào)失真及對(duì)ADC動(dòng)態(tài)范圍的要求。本文提出了一個(gè)采用較小柵電感有效實(shí)現(xiàn)了帶寬擴(kuò)展的有源反饋LNA,并給出了相關(guān)分析。該電感通過(guò)增大晶體管的有效跨導(dǎo)補(bǔ)償了負(fù)載電容導(dǎo)致的增益下降,從而在擴(kuò)展帶寬的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了增益的平坦化。最后該LNA在65nm工藝上進(jìn)行了流片驗(yàn)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(kuò)展比為1.43。 寬帶LNA同時(shí)接收到的其帶寬范圍內(nèi)的多路信號(hào)會(huì)相互成為帶內(nèi)干擾源,因此其需要有較好的線(xiàn)性度以減小信號(hào)失真。本文對(duì)有源反饋LNA的非線(xiàn)性進(jìn)行了分析,提出了采用互補(bǔ)MOS管對(duì)實(shí)現(xiàn)的源級(jí)跟隨器,其可有效改善LNA的線(xiàn)性度。該技術(shù)在0.18μm工藝上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,相比傳統(tǒng)源級(jí)跟隨器,其對(duì)LNA IIP2和IIP3的改善分別為17.6dBm和3.1dBm。 高性能接收機(jī)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(jiàn)巴倫LNA的優(yōu)缺點(diǎn)后選擇了共柵-共源結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),在共源級(jí)使用了一個(gè)PMOS后失真輔助管有效抵消了主NMOS管的二次和三次非線(xiàn)性,顯著地改善了共柵-共源巴倫LNA的IIP2和IIP3；通過(guò)在MOS管源端和體端串接一個(gè)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(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：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(xiàn)
    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(chǎng)導(dǎo)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(yīng)
        2.2.5 溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)
    2.3 短溝道MOSFET直流模型
        2.3.1 強(qiáng)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(yàn)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(hào)模型
        2.4.1 器件內(nèi)部小信號(hào)模型
        2.4.2 外圍電阻電容子電路
        2.4.3 襯底網(wǎng)絡(luò)
    2.5 短溝道MOSFET噪聲模型
    2.6 短溝道MOSFET弱非線(xiàn)性特性
    2.7 本章小結(jié)
第3章 CMOS LNA的寬帶實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究
    3.1 引言
    3.2 寬帶CMOS LNA的基本拓?fù)浣Y(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(jí)
    3.3 輸入匹配拓寬技術(shù)
        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(shù)
    3.5 采用柵電感補(bǔ)償?shù)膶拵NA設(shè)計(jì)
        3.5.1 反饋LNA回顧
        3.5.2 柵電感補(bǔ)償LNA分析
        3.5.3 電路設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果
        3.5.4 測(cè)試結(jié)果
    3.6 本章小結(jié)
第4章 CMOS寬帶LNA的線(xiàn)性化研究
    4.1 引言
    4.2 LNA非線(xiàn)性分析
        4.2.1 冪級(jí)數(shù)法
        4.2.2 Volterra級(jí)數(shù)法
    4.3 寬帶CMOS LNA線(xiàn)性化技術(shù)
        4.3.1 線(xiàn)性負(fù)反饋
        4.3.2 最優(yōu)偏置
        4.3.3 前饋補(bǔ)償
        4.3.4 失真抵消
        4.3.5 后失真補(bǔ)償
    4.4 高線(xiàn)性有源反饋LNA設(shè)計(jì)
        4.4.1 傳統(tǒng)有源反饋LNA的非線(xiàn)性分析
        4.4.2 源級(jí)跟隨器的互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)
        4.4.3 反饋電阻對(duì)線(xiàn)性度的影響分析
        4.4.4 電路設(shè)計(jì)
        4.4.5 仿真結(jié)果
        4.4.6 測(cè)試緩沖級(jí)設(shè)計(jì)
    4.5 本章小結(jié)
第5章 CMOS寬帶巴倫LNA的低噪聲與線(xiàn)性化設(shè)計(jì)
    5.1 引言
    5.2 常見(jiàn)巴倫LNA拓?fù)浣Y(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(xiàn)性分析
    5.4 電路設(shè)計(jì)
    5.5 后失真補(bǔ)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(xiàn)
致謝
在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其它研究成果

【參考文獻(xiàn)】

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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(dǎo)體學(xué)報(bào);2010年12期

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