2011 年 5 月

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栽暖乌
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1 无线系统中LNA 设计和精确测量关键技术童华指导教师游佰强教授周大林高工厦门大学评阅人 : 学校编码 :10384 分类号密级学号 :X UDC 硕士学位论文无线系统中 LNA 设计和精确测量关键技术 Design and accurate measurement technology for LNA in Wireless System 指导教师姓名 : 童华游佰强教授周大林高工专业名称 : 电子通信工程班论文提交日期 : 论文答辩时间 : 2011 年 5 月 2011 年 6 月学位授予日期 : 2011 年月答辩委员会主席 :

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3 厦门大学学位论文原创性声明本人呈交的学位论文是本人在导师指导下, 独立完成的研究成果本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果, 均在文中以适当方式明确标明, 并符合法律规范和厦门大学研究生学术活动规范 ( 试行 ) 另外, 该学位论文为 ( ) 课题 ( 组 ) 的研究成果, 获得 ( ) 课题 ( 组 ) 经费或实验室的资助, 在 ( ) 实验室完成 ( 请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称, 未有此项声明内容的, 可以不作特别声明 ) 声明人 ( 签名 ): 年月日

5 厦门大学学位论文著作权使用声明本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法等规定保留和使用此学位论文, 并向主管部门或其指定机构送交学位论文 ( 包括纸质版和电子版 ), 允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅借阅本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士硕士学位论文共建单位数据库进行检索, 将学位论文的标题和摘要汇编出版, 采用影印缩印或者其它方式合理复制学位论文本学位论文属于 : ( )1. 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文, 于年月日解密, 解密后适用上述授权 ( )2. 不保密, 适用上述授权 ( 请在以上相应括号内打或填上相应内容保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文, 未经厦门大学保密委员会审定的学位论文均为公开学位论文此声明栏不填写的, 默认为公开学位论文, 均适用上述授权 ) 声明人 ( 签名 ): 年月日

6 摘要摘要随着无线通信系统和芯片工艺的不断发展, 射频模块的集成度越来越高对通信系统的前端电路特别是 LNA( 低噪声放大器 ) 部分的电路的要求越来越高这就要求 LNA 具有低噪声系数和高线性度, 低功耗的性能 LNA 作为接收机系统的第一级, 它的性能直接影响了整个系统的噪声, 线性度等性能低噪声高线性度的放大器能够提供更好的灵敏度, 对射频系统的接收性能有很大的帮助, 越来越多的技术应用在 LNA 的设计当中另外一方面如何得到低噪声放大器的性能指标是非常重要的, 精确的测量可以保证我们能够更加精确的测量得到真实的 LNA 的实际参数, 本文将介绍实际的 LNA 的精确测量技术系统的本文在前面章节首先简要介绍了 LNA 设计的几个关键的技术, 以及检索国内外 LNA 的先进技术 ; 然后阐述了讨论 LNA 的性能参数和相关的精确测量技术, 提出了一种 IP3 和 P1dB 精确测量系统的组建方法和程序测量方法, 并通过 HFSS 设计精确测量需要的 LNA 的高性能微带线的设计 ; 接着分析了 LNA 的拓扑结构和性能, 并通过 ADS 仿真设计一种拓扑结构可以扩展 LNA 的频带 ; 最后通过 ADS 仿真设计一款 1.7Ghz 到 2.5GHz 宽带高线性度的 LNA, 并对其进行线性化分析, 希望通过本文能够对工程师在 LNA 的设计测量和分析过程有所帮助关键词 : 低噪声放大器 ; 线性 ; 回损 I

7 Abstract Abstract With the continuous development of wireless communication system and chip technology, the RF module are highly integrated and circuits are more complex, there comes high demand to the Front end module of the communication system, especially LNA part. This requires the LNA has lower NF, wide band, high linearity,lower power performance. LNA as the first stage of the system, it directly affects the performances of overall receive system noise, linearity and other properties. Low noise, high linearity LNA can provide better sensitivity and make better effect to the RF receive part. More and more technology has been used in LNA s designs. On the other hand how to get LNA s performances are very important, accurate measurements can guarantee that we can get the real LNA s parameters. High accurate LNA testing system will be introduced in this paper. This paper briefly introduces the four key technologies of LNA and retrieval new technologies of LNA; then describes the parameters of LNA and related accurate measurement technology, especially a precise measurement of IP3 and P1dB system, measurement program and the high-performance return loss microstrip line designed by HFSS simulator;then I analyze the LNA topology and performance, and through the ADS simulation to design a LNA topology can extend the band; Finally,I design a 1.7GHz to 2.5GHz high linearity wideband and its linear analysis.hope this article can help engineers to design measure and analyze the LNA. Key Words : LNA;Linearity;Return loss II

8 目录目录第一章绪论 LNA 研究的意义 LNA 的关键技术本研究课题的主要工作 9 第二章 LNA 的性能指标和理论基础主要性能指标工作频率增益噪声系数 P1-db 压缩点三阶截点 (IP3) 稳定性 LNA 噪声模型 CS LNA 噪声模型 CG LNA 噪声模型 LNA 宽带技术分布式结构的宽带 LNA 电阻反馈结构宽带 LNA 共栅放大器宽带 LNA 基于匹配网络的共源结构的宽带放大器开关切换方式的宽带放大器 LNA 线性化技术负反馈线性化技术前馈技术小结 21 第三章 LNA 的精确测量噪声系数的精确测量增益和 S 参数的精确测量 P1dB 及 IP3 精确自动测量系统的组建 P1dB 和 IP3 测量系统框图 P1dB 的精确测量 IP3 的精确测量 P1dB 及 IP3 自动测量软件的实现小结 34 第四章 LNA 的拓扑结构和性能分析 35 III

9 目录 4.1 共源低噪声放大器 (CSLNA) 电阻匹配结构的共源放大器源极电感负反馈 LNA 共栅低噪声放大器 (CGLNA) 共源共栅结构一种可以扩展 LNA 频带的拓扑结构设计的提出拓扑结构电路的设计 MHz 到 1.5GHz 宽频 LNA 的实现小结 46 第五章 1.7 到 2.5GHz 的宽带高线性度 LNA 的设计设计指标前级电路设计后级电路设计级联电路设计分析电路线性度分析版图设计电感的设计 Layout 原理图整体版图双频段 LNA 性能比较小结 67 第六章总结及展望 68 参考文献 70 致谢 74 攻读硕士学位期间所取得的研究成果 75 IV

10 Contents Contents Chapter 1 General description Importance of LNA research Key technology of CMOS LNA Main work of the Paper 9 Chapter 2 Main Character and theory of LNA Main Character of LNA Freq Gain NF P1-dB IP Stability LNA noise model CS LNA model CG LNA model Wideband technology of LNA Linearity technology of LNA Summary 21 Chapter 3 Accurate measurement of LNA NF accurate measurement Gain and S Parameter accurate measurement P1dB and IP3 auto test system Syestem structure P1dB accurate measurement IP3 accurate measurement 30 V

11 Contents P1dB and IP3 auto test program Summary 34 Chapter 4 Topology structure and performance analyse of LNA Common source LNA Resistor matching Structure CSLNA Inductor negative feedback CSLNA Common Gate LNA Common source and common gate LNA One type topology structure LNA which can extend band Propose the Design Circuit design analyse Wide band LNA from 400MHz to 1.5GHz Summary 46 Chapter 5 Wide band, high linearity LNA from 1.7 to 2.5GHz Design target Pre-stage design Post-stage design LNA cascade design LNA linearity analyse Layout Design Dual-band LNA performance Comparation Summary 67 Chapter 6 Summary and Expectation 68 Bibliography 70 Acknowledgement 74 VI

12 第一章绪论第一章绪论 1.1 LNA 研究的意义随着无线技术的不断发展, 在通信系统中数字编码调制技术, 这些采用数字信号处理器和数字逻辑电路都采用集成电路设计, 而这些的数字处理器目前基本上都采用硅基互补金属氧化物 ( Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS) 工艺来制作为了实现更低的成本, 把无线模块集成到一个芯片上来, 用 CMOS 工艺来实现射频前端模块数字处理器微处理器一体化成了目前的主流设计另外 CMOS 工艺的不断发展, 尺寸不断缩小, 也使得这种单片集成技术成为可能, 目前的硅基金属氧化物场效应管 (MOSFET) 的截止频率已经超过了 100GHz 1 LNA 可以采用不同半导体工艺技术包括 SiGe InGaP GaA s phemt 等, 晶体管形式包括 BJT HBT 或 FET 等传统的低噪声放大器采用砷化镓等工艺来制作, 而 GaAS 和双极型的工艺不利于数字模拟电路的集成, 而 SiGe 工艺, 由于材料生长工艺的逐渐成熟, 再加上它能与硅工艺兼容易于集成的特点, 使得 SiGe 材料的 BiC-MO S/BiCMO S 工艺与 GaAs 工艺相比, 更有利于 RF 系统芯片的集成, 硅材料低噪声放大器在功耗频率低端以及制作成本上更具有竞争优, 随着工艺的提高, 在采用双极晶体管制作的基础上, 还衍生了一种新形式, 即用 MOSFET 来制作低噪声放大器早在上个世纪的六七十年代, 人们就对 MOSFET 的噪声机理有了比较全面的了解, 直到上个世纪九十年代中期,CMOS 射频 LNA 噪声系统都在 4~5dB 左右, 随着 CMOS 工艺的不断进步,CMOS 的尺寸不断缩小, LNA 的噪声系数和功耗都大大减低, 目前国外的 RFIC 制造水平采用 0.18um 和 0.13um 的工艺已经很成熟, 并且已经向 90nm 和 65nm 发展 CMOS 射频电路得到了广泛的应用.CMOS 低噪声放大器已经成为射频电路中的最重要的组成部分在目前移动通信领域里, 应用最广泛的是 GSM 系统, 而 CDMA CDMA2000 WCDMA TD-SCDMA 等 3G 移动通信系统也逐渐走进我们的生活,LTE LTE-advanced 的 4G 系统也在不断的完善发展,Bluetooth 北斗卫星 GPS WIFI,WLAN RFID 等无线技术也得到了飞速的发展随着工艺的不断提高, 1

13 无线系统中 LNA 设计和精确测量关键技术 CMOS 射频系统已经广泛的应用于这些通信系统中而低噪声放大器作为通信系统中的最重要的一部分, 仍然存在许多需要研究和解决的难题, 只要在设计中把握好了其关键的技术, 就能针对不同的产品设计出合适的 LNA 1.2 LNA 的关键技术在设计 LNA 电路, 低噪声低功耗高线性度宽频带成为了射频前端电路的一个重要的课题 1) 降低噪声系数技术 LNA 作为接收机系统的第一级, 它的噪声系数的好坏将直接影响整个系统的噪声, 如何降低 LNA 的噪声是其中最重要的技术噪声的种类有很多, 包括热噪声闪烁噪声及散粒噪声其中热噪声主要是由电路中的电阻和 MOS 管内部的噪声所引起的, 热噪声和栅集总电阻成正比关系, 可以通过把栅两端连接起来来减小栅电阻的噪声, 所以在匹配器件的时候尽量选用电感和电容来减小由于器件带来的噪声而闪烁噪声主要是由于晶体表面的污染及缺陷所造成的, 通过增大器件的面积或者增大 Cox 来减小闪烁噪声散粒噪声和直流有关, 主要是由于导体内通过表面的载流子数的变化引起的而对于工作在饱和区的 MOS 管, 噪声主要来源于热噪声和闪烁噪声, 其散粒噪声可以忽略不计 2 沟道热噪声的经典模型用于长沟道 MOS 器件的噪声预测非常准确, 而短沟道 MOS 器件表现出来的热噪声远大于长沟道器件热噪声模型所预测的值为了解决模型和实验数据不一致的问题, 研究人员提出了不同的建模方法其中包括数值计算为基础的建模方法方法, 文献 5 3 和以实验为基础采用解析模型提出了零级近似误差,2004 年文献 6 4 来逼近实验数据的提出了基于噪声测量的三点计算法得到的预测数据与测试数据相比误差在 5% 到 10% 比前者提高了 3.3 倍传统的方法一般采用最优噪声匹配设计来减小 LNA 的噪声系数, 最佳噪声点的设计往往会使得输入的驻波不是很好, 偏置电压的选择也会对增益产生影响, 选择一个合适的栅宽和偏置电路的设计都会对 LNA 的增益电压频带范围线性度产生影响, 其次短沟道器件中高电场强度使载流子速度饱和, 载流子 2

14 第一章绪论温度升高, 器件噪声升高, 在电路设计过程中避免较大的偏置电压也可以降低噪声 7 文献研究了如图 1-1 所示的以经典窄带共源共栅低噪声放大器为基础, 采用噪声消除技术优化噪声系数, 通过增加 L4 的值可以改善 LNA 的高频噪声性能低噪声放大器基于 SMIC 0.18-μm RF CMOS 工艺进行设计与仿真, 仿真结果表明, 在 3-5 GHz 的频带范围内,S11 小于 -13 db,s22 小于 db,s21 大于 17.3dB,S12 小于 -32 db, 增益平坦度小于 0.7 db, 最大噪声系数为 2.9 db, 输入三阶截断点为 dbm 采用 1.8 V 电源供电, 电路总功耗约为 20.5 mw 图 1-1 采用噪声消除技术优化噪声系数图 1-2 栅源间并联电容优化噪声系数 3

15 无线系统中 LNA 设计和精确测量关键技术 8 参考文献设计了一种低功耗约束下的 CMOS 低噪声放大器, 如图 1-2 所示, 与传统的共源共栅结构相比, 该电路在共源晶体管的栅源间并联一个电容, 以优化噪声的技术, 模拟结果表明, 在 2.45 GHz 工作频率下, 增益大于 14 db, 噪声系数小于 1 db, 直流功耗小于 2 mw 图 1-3 PCS NIM 结构图 1-4 IPCSNIM 结构 2) 低功耗设计技术低功耗设计也是目前越来越流行的趋势为了得到同样的增益,CMOS 电路比 BJT 或者其他化合物半导体的电路功耗来得大, 但是目前随着器件尺寸的不断减小, 这个问题可以得到缓解, 在保证系统性能的同时如何减少 LNA 的功耗 4

16 第一章绪论问题是 LNA 设计中的一个关键的问题, 一般的来说单级的 LNA 比两级的 LNA 对功耗的消耗小, 但是, 噪声却会有所增加 9 文献提出的限定功耗下同时优化噪声性能和输入匹配的技术 (PCSNIM) 是目前最佳的低功耗窄带 LNA 优化设计技术, 如图 1-3 所示, 能在低功耗限制下, 同时使噪声性能输入匹配都得到优化由于电容 C1 反馈的引入会使得源极负反馈电感 Ls 增大, 电感 Ls 增大导致系统增益下降及噪声性能在一定程度的恶化, 并且使得系统的等效跨导减小特别是低功耗下系统增益的减小和系统高频特性的恶化接着文献 10 提出了 IPCSNIM 结构 LNA, 改变并联电容的位置, 如图 1-4 所示, 该结构在功耗噪声和 PCSNIM 相当的条件下, 充分弥补了 PCSNIM 增益过小的缺点, 实现了最优的输入阻抗匹配特性和高频特性, 并采用 0.13um 设计了 5.5GHz,1V 工作电压 3mW 的低功耗 LNA 3) 线性化设计技术随着无线系统对动态范围的要求的提高, 线性化设计技术也成为 LNA 的一项关键的技术, 主要线性化方法有笛卡尔环极性环预失真前馈法 LINC EER 等等, 采用非线性补偿技术来提高 LNA 的线性度是目前比较常采用的方法, 把晶体管偏置在深线性区也可以增加系统的线性度 11 现有的提高 LNA 的 IIP3 的方法中, 为了解决低噪声高增益和高线性度的矛盾, 很多 LNA 在设计时采用双模设计模式, 在输入信号较小时, 调整 LNA 的增益使其满足高增益和低噪声的要求, 当输入信号提高的时候, 则牺牲增益和噪声的代价来提高线性度为了达到低噪声和高增益和高线性度,Ding 12 和 Young 13 提出了基于谐波分析和消除方法, 他们都采用输入端谐波消除, 这样造成了输入端不容易达到最佳噪声匹配和功耗的增加然后文献 6 提出了采用输出端谐波消除技术, 在输出端消除三次谐波, 达到了更好的效果并设计了用于 IEEE802.11a 的 5.25GHz 的 LNA, 仿真结果显示当输入功率在 -40dBm 时, 输出的 14 三阶分量低于一阶分量达到 -130dBm. 接着文献设计了一种利用消除输出失真技术设计了一种双频段的交叉耦合共栅极低噪声放大器, 使用了一差分对来进行偏置在弱反型区来消除主放大器的三阶互调干扰技术该 LNA 采用 90nm CMOS 工艺, 电压采用 1 V 供电, 在 1.8 和 2GHz, 输入 IP3 提高了 4 个 db 达到 +11dBm, 增益分别为 15 和 16dB, 噪声系数为 4 和 3.5dB 5

17 无线系统中 LNA 设计和精确测量关键技术 15 另外参考文献研究了如图 1-5 所示的利用线性化补偿技术设计了一个位于接收前端 T/R 组件中的高线性低噪声放大器, 通过在常用共源共栅电路中加入线性补偿电路 (M3 和 M4), 通过设置 V1 使得 M3 工作在深线性区, 对三次谐波跨导进行补偿该电路在其他指标基本不变的情况下线性度提高约 15 db 文献 16 图 1-5 线性化补偿技术高线性放大器鉴于传统共源共栅低噪声放大器由于受共栅级的影响, 其噪声和线性度都不理想, 为此在共栅级上引入一对交叉耦合电容和电感, 如图 1-6 所示, 以消除共栅级的噪声并提高放大器的线性度. 采用特许半导体公司 0.25μm 射频互补金属氧化物半导体工艺进行了设计, 仿真结果表明低噪声放大器在 2.4GHz 处的噪声系数仅有 1.34dB, 该电路能够提供 17.27dB 的正向增益小于 db 的反向传输系数小于 db 的输入反射系数小于 db 的输出反射系数, 该放大器的三阶交调点为 0.58 dbm 消耗的功率为 mw 6

18 第一章绪论图 1-6 共栅级上引入交叉耦合电容和电感 4)CMOS 宽带 LNA 技术目前的无线系统对的带宽要求越来越宽, 所以宽频带的 LNA 设计成了目前的一个主流设计采用电阻放馈设计可以提高整个系统的带宽, 但是会引入一些噪声另外预失真也是增加 LNA 带宽的一种放大在宽带 LNA 设计中, 要求在宽带上实现输入输出匹配, 根据宽带输入阻抗匹配, 有五种常用的宽带 LNA 输入结构包括分布式 (DA) 电阻反馈(RF) 共栅 (CG) 基于匹配网络的共源结构(CS), 开关切换式 (SW) 参考文献 17 研究了如图 1-7 所示的基于源端电感负反馈的 LNA 电路模型, 提出利用最优化的数学方法分别确定晶体管尺寸输入匹配网络和负载网络各元件参数的方法, 利用二极管为负载, 二极管的 1/gm 得到 50ohm 的输出阻抗, 并设计了 3-5GHz 超宽带 CMOS LNA, 带内噪声系数小于 1.5, 增益 22dB 7

19 无线系统中 LNA 设计和精确测量关键技术参考文献 18 图 1-7 基于带阻特性的超宽带 LNA 电路结构研究了如图 1-8 所示的采用电流镜 (M3 和 M4) 和峰化电感 LD 进行电流复用, 所提出的 LNA 实现了非常平坦化的功率增益和噪声系数 (NF). 针对 UWB 应用设计通过引入共栅 (CG) 和共源 (CS) 结构以获得宽范围内的输入匹配, 实现了一个 1.5-6GHz 的两级 CMOS 低噪声放大器 (LNA).1.5-5GHz 频率范围内功率增益 (S21) 为 11.45±0.05dB, 在 2-6GHz 频率范围内噪声系数 (NF) 为 5.15± 0.05dB, 输入损耗 (S11) 小于 -18dB. 在 5GHz 时, 仿真结果显示三阶交调点 (IIP3) 为 -7dBm, 1dB 压缩点为 -5dBm 图 1-8 电流复用实现平坦化的功率增益和噪声系数 (NF) 8

20 第一章绪论表 1-1 为已发表的超宽带 LNA 的性能比较图, 可以看到随着工艺的增加, 带宽和噪声系数都得到了提高表 1-1 超宽带 LNA 的性能比较图参考文献工艺 (um) 带宽 (GHz) S11 (db) S21 (db) NFmax (db) NFmin 功率 (db) < (mw) < N/A < < N/A 12.4 N/A < < 本研究课题的主要工作本论文在系统检索及分析国内外 LNA 最新的技术基础上, 重点提出了 LNA 性能参数的实际精确测量技术方法, 并且分析了 LNA 的三种主要的拓扑结构和性能, 并通过 ADS 仿真设计完成了一种拓扑结构可以扩展 LNA 的频带的技术, 最后采用电感电容串联负反馈技术设计了一种宽带高线性度 LNA, 希望通过本文能够对工程师在 LNA 的设计测量和分析过程提供一种新的途径本论文在第一章绪论中, 主要阐述了国内外 LNA 的发展状况及重要性第二章介绍了 LNA 的主要性能指标和 LNA 的基本理论第三章详细介绍了 LNA 的精确测量的方法, 并提出了 IP3 和 P1dB 的自动测量系统的搭建和软件的实现, 采用 HFSS 仿真了 0 到 4GHz 高回损的微带线的设计第四章介绍了 LNA 的拓扑结构和分析了不同拓扑结构的性能指标, 提出了一种可以拓展 LNA 频带的拓扑结构, 该结构使得 LNA 在 400MHz 到 1.5GHz 的纹波非常小第五章讨论了设计了 1.7 到 2.5GHz 宽带高线性 LNA 电路, 并讨论了影响 LNA 线性的因素第六章进行了总结和展望 9

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