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析槛笈仲
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1 CMOS 射频集成电路设计 7 年 1 月 1 日唐长文助理研究员 zwtang@fudan.edu.cn 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室

2 低噪声放大器的设计优化技术 MOS 管噪声模型经典二端口网络的噪声分析窄带低噪声放大器的设计优化经典二端口网络噪声匹配噪声和阻抗同时匹配有效跨导约束和功率约束的噪声匹配功率约束的噪声和阻抗同时匹配 ( 自学 ) 宽带低噪声放大器的设计优化噪声抵消技术 --

3 电阻热噪声电压噪声电流噪声 n 多晶硅栅极电阻 R g MOS 管噪声模型 (I) v Δ f 4kTR vn Δf 4kT in Δ f 4kTG R R 双端连接的多插指结构减小串联电阻单端连接双端连接 R g 1 3n R W q R g L 1 1n R W -3- q L v n i n

4 MOS 管沟道噪声热噪声电流噪声电压噪声 MOS 管噪声模型 (II) i Δ f 4kTγ g nd m do ind Δf γ 1 vnd Δ f 4kT g α g m i nd g α g v nd m do 闪烁 (1/f) 噪声 K g K i Δ f A m nd ω T f WLCox f 背栅 (Back-gate) 噪声 v Δ f 4kTR nb bulk Bulk 端的接触环降低衬底电阻 R bulk -4-

5 MOS 管栅极感应噪声高频激励下的栅极导纳 g ω C 5g MOS 管噪声模型 (III) ( ) g g d 栅极感应噪声电流 ( 蓝噪声 ) ing Δ f 4kTδ gg 栅噪声系数 : δ γ 4 3 等效栅极感应电压噪声 ( 白噪声 ) ( ) ω ( ) 1g r 1+ Q Q 1 C r r 1 5g g g C C g g g d g g ( 1 ( )) v Δ f i Δf g +ωc ng ng g g ( ) 4kTδ r 1+ 1Q 4kTδ r g C g g g 和 r g 并不是物理电阻, 不产生噪声! g -5- v ng i ng

6 MOS 管噪声模型 (IV) 栅感应噪声与沟道噪声的相关系数栅感应噪声电流和沟道噪声电流都是沟道载流子的不规则运动引起的, 它们具有相关性, 相关系数为 c * ing ind.395 j i i ng nd 相关栅感应噪声 (i ngc ) 和不相关感应噪声 (i ngu ) ing ingc + ingu ngc ng i c i c * * * ngc + ngu i nd ngc ind + ingu i nd ngc nd ( ) i i i i i i i i i i i ng nd ng nd ng nd ( ) ( ) ing Δ f ingc + ingu Δ f 4kTδgg c + 4kTδgg 1 c -6-

7 MOS 管噪声模型 (V) 噪声模型 i ng i nd v n 等效输入噪声模型 i n v n Δ f i nd g Δf m jωc g in Δ f ind + ingc + 4kTδ gg 1 c gm ( ) ( 5 ) g ω C g ωc Q g g d g C g 1-7- Q C g 忽略 g g

8 经典二端口网络的噪声分析噪声参数 ( 噪声电流分析 ) I u 是与 v n 不相关的电流噪声 i c 是与 v n 相关的电流噪声定义 Y c 为相关导纳 in iu + i c ic Ycvn [ ] + ( + ) Gu + YS + Yc Rn Gu Rn F ( G + ) + ( + ) S Gc BS Bc G S GS GS -8- n S n u S c n i + Y v iu YS Yc vn i + Y + Y v F ins, ins, ins, 定义 : YS GS + jb S Yc Gc + jbc vn i i u ns, Rn Gu GS 4kT Δf 4kT Δf 4kT Δf i ns, v n i n

9 二端口网络的噪声系数优化当 BS Bc B u opt, G + G G 时, 噪声系数 NF 有最小噪声系数 F min 通常噪声系数表示为 : S c opt Rn 在阻抗 Smith 圆图中, 噪声系数等高线是以 (G opt,b opt ) 为中心的圆周 G Gu Fmin 1+ R + G + G n c c Rn Rn F F + min G G + B B G S -9- ( ) ( ) S opt S opt

10 共源低噪声放大器 Cacode 结构提高反向隔离度可以忽略 C gd 电容 jωc g in Δ f ind + ingc + 4kTδ gg 1 c gm ( ) v n Δ f i nd g Δf m v n i ng i nd -1-

11 经典二端口网络噪声匹配二端口网络的噪声参数 R n v 4kTΔf G u Y c Y opt F min i n u 4 G c + ktδf jb c G R + G jb u n c c ( ) 1+ R n G opt + G c 等效输入噪声电阻等效不相关噪声导纳相关导纳最佳信号源导纳最小噪声系数, 其中 G G R + G opt u n c 等效输入噪声电阻 R n R n vn Δf ind Δf γ g γ 1 4kT 4kT g g g d m m α m -11-

12 相关导纳 (Y c ) jωcg i nd + i ngc g i m ngc ingc c ω g + ω g + m vn vn ind Y j C j C g ( ) * i + i i i i i i i i i i i c i i i i i i i * * * ngc ngc nd ngc ngu nd ng nd ng nd ng ng * nd nd nd nd nd ing ind nd nd ing 4kTδ gg Δf Yc jωcg + gmc jωc g j c i ( 4kTγ g Δf ) g nd Gc δ jωcg 1 α c δ 5γ ω α Bc Cg 1 c 5γ -1- d m

13 min n opt c 5 ωt T -13- 最佳源导纳 (Y opt ) 和最小噪声系数 (F min ) 等效不相关噪声导纳 G u 最佳源导纳 (Y opt G opt +jb opt ) 最小噪声系数 (F min ) ( ) ( δω ) g i ngu Δf ktδgg c C c 4kT 4kT 5g Gu δ Gopt + Gc αωcg 1 c Rn 5γ δ Bopt Bc ωcg 1 α c 5γ ( ) ( ) ω ( ) ω F 1+ R G + G 1+ γδ 1 c 1+.8 γδ ω d F min (γ,δ4) ω T /ω Fmin(dB)

14 阻抗匹配 Y in jωc 噪声匹配阻抗匹配和噪声匹配的比较 g, 无法实现 5Ω 阻抗匹配 δ ( ) δ Yopt Gopt + jbopt αωcg 1 c jωcg 1 α c 5γ 5γ 经典二端口网络噪声匹配无法同时实现噪声匹配和阻抗匹配通过附加的匹配网络可以实现噪声匹配到功率匹配之间的转换 -14-

15 带源极电感负反馈的低噪声放大器匹配网络为电感 L g 源极串联负反馈电感 L 减小阻抗匹配与噪声匹配之间的距离噪声贡献 : 信号源 R, 电感串联电阻 R l 和栅电阻 R g 沟道噪声 i nd 栅感应噪声 i ng i ngu + i ngc -15-

16 输入阻抗谐振时有效跨导 G m 输入阻抗 (Z in ) 和有效跨导 (G m ) C ( L ) L g ( ) ω C L + L v n 1 g g ( + ) + 1 gm1l in g T C + g C ω g Z L L L i 1C 1C G g g g -16- R Z in L g C g v g g m v g out g g m m m m v R + Zin R + ωtl jωcg R + ωtl ωt jω R L ( + ω ) T G Zin ωt L R 1 QL ω RC m g L ( ) ω g Q j jω R T m L g i out

17 信号源 R, 电感串联电阻 R l 和栅电阻 R g 信号源 R R L g i out nr, Δ m 4 i f G ktr ω T ( + ω ) jω R L 4kT ω R T ωt ωtl 1+ R 4kTR v n Z in C g v g g m v g L 电感串联电阻 R l 和栅电阻 R g ( ) 4kT R T R 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室唐长文 -17- ( ) + R ω l g T nr,, R Δ m 4 l + g i f G kt R R l g ω R ω L 1+

18 iout gmvg + ind 1/ Cg vg v R + L g + 1/ C g v v iout + L R + L + 1/ C i out g g 沟道噪声 i nd R + ( Lg + L) + 1/ Cg R ( L L ) 1/ C g L / C -18- nd + g + + g + ( L ) g + L + 1 C g m g R 1 ind Δf i i nd out i innd, Δ f nd + m / ω g TL ω TL R g L C 1+ R R i L g C g v g g m v g v L 谐振条件下 1+ R i nd i out

19 噪声系数 F(I) F 1+ i Δ f + i Δf nr,, R nnd, l g i nr, Δf R Rg l ω R R l g γ 1 ω γ gdr R R ωt R R α QL ωt gm 1 1 ω 1 ω T T gdql gd α ω RC αr ω αrq L ω g ω T 不变的情况下, 减小 g do 可以减小 NF, 同时减小功耗保持偏置 (V GS -V T ) 和栅长 L 不变的情况下, 减小宽 W 尺寸 W g μeffcox ( VGS VT ) α m L 3 αμeff ωt ( VGS VT ) C g WLC L ox 3-19-

20 噪声系数 F(II) g do 减小时, 宽 W 减小, 电容 C g 减小, 要使输入回路的谐振频率保持不变,L g 必须相应增大为了得到好的噪声性能和降低功耗, 需要提高输入回路的 Q L 值增大 ω T /ω 值能够减小噪声系数 NF, 因此 CMOS 工艺的不断进步, ω T 不断提高对降低噪声系数有一定的好处噪声系数 NF 没有最小极限值很小的 MOS 管, 消耗极少量的功率就能够获得 db 的噪声系数这和实际测试结果是不符的, 造成这种问题的原因在于没有考虑 MOS 管的栅极感应噪声 --

21 栅感应噪声 i ng ( ) 1 iout gmvg gm ing i1 Cg i ( ) ng v L iout i1 ( + ) ( ) 1 i1 R Lg v ing i1 Cg g ( + ) m R Lg+L iout ing 1 Cg R + + Lg+L+ g ml Cg Lg + L + Cg gm( 1+ jql) ing ω TL ω ( Lg + L) 1 jωcg 1+ QL R R ωrcg -1- 谐振条件下 ( ) 1

22 不相关栅感应噪声 i ngu ( + ) ( ) gm 1 jql 4kTγ gd in ngu Δ f 4kTδgg 1 c ξ ω TL jω + ω C 1 TL g 1+ R R, δα ξ + 5γ ( 1 )( c 1 Q ) L --

23 g 4 δ gδ ω g δ ingc j c ind j c ind j c ind i 4kTγ gdoδf gd 5γ d -3- 相关栅感应噪声 i ngu 与沟道噪声 i nd (I) ( + jq ) gm 1 L 1 iout io, ngc + io, d ingc + ind ω ω TL TL jω + 1+ Cg 1 R R g ( ) ω m 1+ jq C L g δ 1 j c ind + i ω γ ω 5 TL g TL d jω + 1+ Cg 1 R R δ ind 1 α c ( 1+ jql ) 5γ ωtl 1+ R i kt g f C nd

24 相关栅感应噪声 i ngu 与沟道噪声 i nd (II) δ ind Δf 4kTγ gd n, ngc, nd Δ 1 α ( 1+ L ) κ i f c jq 5 γ TL TL 1 ω 1 ω + + R R δα δα κ c QL + 1 c 5γ 5γ -4-

25 噪声系数 F(I) F 1+ i Δ f + i Δ f + i Δf n, R, R n, ngu n, ngc, nd l g i nr, Δf R R ω γ χ ω l g R R l g χγ gdr R R ωt R R α QL ωt δα ( )( ) δα δα χ ξ + κ 1 c 1+ QL + c QL + 1 c 5γ 5γ 5γ ( 1 δα δα c 1 Q ) L 5γ + 5γ + F 中有 Q L 项也有 1/Q L 项, 因此存在某个 Q L 使得 F 最小 g Q d L gm 1 1 ωt gd α ω RC αr ω g -5- αrq 1 T L ω ω

26 I WC v d ox at V od V I d,g m, P D, Q L, ω T od + Lε at Vod VGS VT Id W 1 + ρ / W g μ C V μ C V α α g V ( 1 ) g L + ρ L 1 + ρ / μeffεat ρ Vod / Lε α v at at ( 1+ ρ ) Vod ρ PD VddId VddWCoxvat VddWCoxvatLε at V + Lε 1+ ρ m eff ox od eff ox od do od at P ρ QL P D 1+ ρ P 3 V v ε ω R 3 αμ ω V dd at at eff T L od 3αρv L at -6-

27 功耗 (P D ) 和相对过驱动 (ρ) 表示噪声系数 F γω L F + P ρ P 1 (, D ) 3v at P( ρ, P ) D P P P ( ρ) + P ( ρ) D 1 P PD 3 ρ ρ ρ ( 1 + /) ( 1+ ) ( ) ( 1 6 ) δ 1 ρ 4 1 ( 1 δ ) ( 1 P c ) ρ ρ + ρ ρ ρ γ γ ( ) δ 1 ρ P ρ 5γ + 4 ρ -7-

28 有效跨导恒定 (G m ) 的噪声系数最优化 (I) 有效跨导恒定对应于电压增益恒定有效跨导 (G m ) G m ρ ρ 1 ωt 3v + at ω R ω R L 1 ρ 对功率 (P D ) 求偏导 P( ρ, PD ) P D ( + ) ρ 5γ 5γ P,, P 1 c + + ρ δα δα D opt G m ( 1 ) 1/ -8-

29 有效跨导恒定 (G m ) 的噪声系数最优化 (II) 最小品质因数 Q 1 5γ 5γ 1 c δα δα L, opt, G m 最小噪声系数 F min F min, Gm 1/ ω δα δα 4 1+ δγ 1 c + 5 ωt 5γ 5γ ω δγ ωt ω 1+.8 ωt 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室唐长文 -9-

30 功率恒定 (P D ) 的噪声系数最优化 (I) 为了简化分析, 假定 ρ<<1 P( ρ, P ) D P P D P 1 c + + 5γ 5γ PD 5γ 3 ρ δ δ δ ρ 4 对相对过驱动 (ρ) 求偏导 P( ρ, P D ) ρ ρ PD 5γ 5γ 3 1 c + P δα δα opt, Gm -3-

31 功率恒定 (P D ) 的噪声系数最优化 (II) 最小品质因数 Q γ γ c.598 δα + δα L, opt, P D 最小噪声系数 F min F min, P D 16 ω δα δα 1+ δγ 1 c + 15 ωt 5γ 5γ ω δγ ωt ω ωt -31-

32 功率恒定 (P D ) 的噪声系数最优化 (III) 最优 MOS 管宽度 Q L, opt, P D W W 1 1 ω RC g ωr WLCox 3 1 ω LC R Q D D 3 εox LminCox Lmin 5ε ox t ff μm M1, opt, P ox L, opt, P M1, opt, P D 6μmGHz f o ox -3-

33 二端口网络分析带源极电感负反馈结构二端口噪声参数 R n G u Y c Y opt F min ( 5 ) g ω C g g g d ωc Q g C g v n i ng i nd Q C g 1 忽略 g g -33-

34 功率约束的噪声和阻抗同时匹配栅源两端附加电容 C ex, 增大 L, 减小 L g, 实现小功率情况下的噪声和阻抗同时匹配两端口噪声参数 R n G u Y c Y opt F min ' gm1 R ω L L Cg + Cext 1 ω L + L C + C T ( g )( g ext) v n i ng i nd -34-

35 宽带低噪声放大器的设计优化 (I) 噪声抵消技术原理示意图输入 / 输出 5Ω 匹配 I B I B V dd v na, v, A R S A R F v nb, v, B B M 1 i nm, 1 A V + C v, o v o R S A R F B M 1 M 3 M R o v o R L v i v i v nc, v, C R i ( ) A 1+ R R V F S A v v R R VF, o, A F S -35-

36 宽带低噪声放大器的设计优化 (II) 噪声系数 γ ( ) ( R R ) R NF RF + RS + RF 4+ RL RS γ R S R S R S RF 4 RF RF RF P,A V,IIP3,NF F S S 与反馈电阻 R F 的关系 -36-

37 宽带低噪声放大器的设计优化 (III) V dd 测试性能指标 M 4 M 5 C 1 R M 6 工艺工作频率 S11.5 um CMOS 5-86 MHz <-9 db R x M 3 S1(A v ) 13.4 db C i A R F M 1B B C M B M 7 C o v o S1 NF 1dB 压缩点 -19 db db -6.7 db R S v i M 1A M A M 8 C 3 R L IIP3 功耗 3.3 db 1mA@.5V V -37-

38 参考文献杂志文章 D. K. Shaeffer and T. H. Lee, A 1.5-V, 1.5-GHz CMOS Low Noie Amplifier, IEEE Journal of Solid State Circuit, vol. 3, pp , May D. K. Shaeffer and T. H. Lee, Correction to A 1.5-V, 1.5-GHz CMOS Low Noie Amplifier, IEEE Journal of Solid State Circuit, vol. 4, pp , June 5. D. K. Shaeffer and T. H. Lee, Correction to Correction to A 1.5-V, 1.5-GHz CMOS Low Noie Amplifier, IEEE Journal of Solid State Circuit, vol. 41, pp.359, Oct. 6. T. K. Nguyen, C. H. Kim, G. J. Ihm, M. S. Yang, and S. G. Lee, CMOS Low-Noie Amplifier Deign Optimization Technique, IEEE Tranaction on Microwave Theory and Technique, vol.5, pp , May. 4. Jingxue Lu and Fengyi Huang, Comment on CMOS Low-Noie Amplifier Deign Optimization Technique, IEEE Tranaction on Microwave Theory and Technique, vol.54, pp.3155, July 6. Nam-Jin Oh, Correction on CMOS Low-Noie Amplifier Deign Optimization Technique, IEEE Tranaction on Microwave Theory and Technique, vol.55, pp.155, June 7. P. Andreani, H. Sjoland Noie Optimization of an Inductively Degenerated CMOS Low Noie Amplifier, IEEE Tranaction on Circuit and Sytem II: Analog and Digital Signal Proceing, vol. 48, pp , Sep. 1. J. S. Goo, H. T. Ahn, D. J. Ladwig, Z. Yu, T. H. Lee, R. W. Dutton, A Noie Optimization Technique for Integrated Low-Noie Amplifier, IEEE Journal of Solid State Circuit, vol. 37, pp , Aug.. F.Bruccoleri, E. A. M. Klumperink, and B. Nauta, Wide-band CMOS low-noie amplifier exploiting thermal noie canceling, IEEE J. Solid-State Circuit, Vol.39, pp. 75-8, Feb. 4. Youchun Liao, Zhangwen Tang, and Hao Min, A Wide-band CMOS Low-Noie Amplifier for TV Tuner Application, in IEEE Aian Solid-State Circuit Conf.(A-SSCC),

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Microsoft PowerPoint - Lecture7 CMOS 射频集成电路设计 009 年 4 月 1 日唐长文副教授 zwtang@fudan.edu.cn http://rfic.fudan.edu.cn/courses.htm 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室版权 005-009, 版权所有, 侵犯必究低噪声放大器的设计优化技术 MOS 管噪声模型经典二端口网络的噪声分析窄带低噪声放大器的设计优化经典二端口网络噪声匹配噪声和阻抗同时匹配