第一章概述 放大器后面各级模块由于带外抑制而带来的线性度问题。但是，缺点在于要用到 多个大电容和面积大并且不容易集成的电感，成本太高，且增益平坦性不佳。后 者在宽带内可以实现较好的阻抗匹配，在增益、噪声和线性度等性能上得到相对 折衷的结果。通常情况下，宽带低噪声放大器是数字电视调谐器设计时不错的选 择。但是，如果片外采用声表面滤波器(SAW)对频率预选择，则多个分立宽带低 噪声放大器也是不错的选择10]。 Vout A2 M fff A3 (a) Av out (b) 图1-2(a)多个窄带组成宽带：(b)单个宽带 表1-2宽带可变增益低噪声放大器性能指标要求 Input Impedance 50Ω Input Return Loss(S11) <-10dB Ouput Impedance Single Output,not care Band Width,BW 50~250MHz,470~860MHz Input Singnal Range -100 dBm~+10 dBm Voltage Gain Range -22 dB~+20 dB with 2-dB step IIP3 -5 dBm Max Gain NF <2 dB Max Gain Power Consumption 7 mA with VDp=1.8 V 本文需要处理的频率范围是两个分立的频带，VHF和UHF频段，所以采用了 两个分立的宽带低噪声放大器分别接收VHF和UHF信号（图1-1）。这样，对不同 7
第一章 概述 7 放大器后面各级模块由于带外抑制而带来的线性度问题。但是，缺点在于要用到 多个大电容和面积大并且不容易集成的电感，成本太高，且增益平坦性不佳。后 者在宽带内可以实现较好的阻抗匹配，在增益、噪声和线性度等性能上得到相对 折衷的结果。通常情况下，宽带低噪声放大器是数字电视调谐器设计时不错的选 择。但是，如果片外采用声表面滤波器(SAW)对频率预选择，则多个分立宽带低 噪声放大器也是不错的选择[10]。 Vout A1 AV f f1 f2 f3 (a) Vout (b) f fL fH AV A2 A3 A 图 1-2 (a)多个窄带组成宽带；(b)单个宽带 表 1-2 宽带可变增益低噪声放大器性能指标要求 Input Impedance 50 Ω Input Return Loss (S 11) <-10 dB Ouput Impedance Single Output, not care Band Width, BW 50~250 MHz，470~860 MHz Input Singnal Range -100 dBm~+10 dBm Voltage Gain Range -22 dB~+20 dB with 2-dB step IIP 3 -5 dBm @ Max Gain NF <2 dB @ Max Gain Power Consumption 7 mA with V DD=1.8 V 本文需要处理的频率范围是两个分立的频带，VHF和UHF频段，所以采用了 两个分立的宽带低噪声放大器分别接收VHF和UHF信号(图1-1)。这样，对不同
第一章概述 频带低噪声放大器的各项性能进行优化。本文所设计的宽带可变增益低噪声放大 器的指标要求如表1-2。宽带低噪声放大器的主要作用及设计要求通常有以下几 个方面： 1)在宽的工作频带内达到良好的输入阻抗匹配： 2)提供足够的增益，对接收到的微弱信号进行放大，以便后级信号的处理， 同时抑制后级模块的噪声对系统噪声的贡献： 3)要有足够低的噪声系数(Noise Figure,N日，尽量减小对系统噪声系数 的贡献，满足系统灵敏度的要求： 4)有良好的输入三阶交调点(Input third Intercept Point,.IlP3),不至于明 显恶化系统的输入三阶交调点： 5)有一定的增益控制范围，满足系统对动态范围(Dynamic Range,DR) 的要求： 6)满足上述要求的前提下，功耗和面积尽量小。 1.3研究内容及贡献 本文主要完成了应用于数字电视调谐器的宽带可变增益低噪声放大器的分 析、设计和仿真等工作。主要包括低噪声放大器主要性能指标分析，常见低噪声 放大器结构的分析，基于有源负反馈技术的低噪声放大器的分析和设计，应用于 数字电视调谐器的可变增益放大器的设计和仿真工作。具体研究内容及贡献包 括： )总结低噪声放大器设计的主要性能指标。 2)对常见低噪声放大器进行了理论推导，总结和比较它们的优缺点。 3)着重研究基于有源负反馈结构的低噪声放大器的噪声优化和线性度提 高技术等。 4)设计完成用于数字电视调谐器的可变增益低噪声放大器。它包括有源高 增益低噪声放大器和无源电阻分压衰减器等。 5)完成版图设计和仿真验证工作。 1.4论文组织结构 本论文一共分为六章，具体组织结构如下： 第一章概述性地介绍了本文的研究背景和研究内容。 第二章介绍了低噪声放大器的性能指标，从匹配、增益、噪声系数和线性度 等方面总结分析常见低噪声放大器的结构和优缺点等。 第三章详细解释了一个基于有源负反馈结构的低噪声放大器的设计过程，包 括输入阻抗匹配、电压增益、带宽、噪声系数、线性度和稳定性等。 8
第一章 概述 8 频带低噪声放大器的各项性能进行优化。本文所设计的宽带可变增益低噪声放大 器的指标要求如表1-2。宽带低噪声放大器的主要作用及设计要求通常有以下几 个方面： 1) 在宽的工作频带内达到良好的输入阻抗匹配； 2) 提供足够的增益，对接收到的微弱信号进行放大，以便后级信号的处理， 同时抑制后级模块的噪声对系统噪声的贡献； 3) 要有足够低的噪声系数(Noise Figure，NF)，尽量减小对系统噪声系数 的贡献，满足系统灵敏度的要求； 4) 有良好的输入三阶交调点(Input third Intercept Point，IIP3)，不至于明 显恶化系统的输入三阶交调点； 5) 有一定的增益控制范围，满足系统对动态范围(Dynamic Range，DR) 的要求； 6) 满足上述要求的前提下，功耗和面积尽量小。 1.3 研究内容及贡献 本文主要完成了应用于数字电视调谐器的宽带可变增益低噪声放大器的分 析、设计和仿真等工作。主要包括低噪声放大器主要性能指标分析，常见低噪声 放大器结构的分析，基于有源负反馈技术的低噪声放大器的分析和设计，应用于 数字电视调谐器的可变增益放大器的设计和仿真工作。具体研究内容及贡献包 括： 1) 总结低噪声放大器设计的主要性能指标。 2) 对常见低噪声放大器进行了理论推导，总结和比较它们的优缺点。 3) 着重研究基于有源负反馈结构的低噪声放大器的噪声优化和线性度提 高技术等。 4) 设计完成用于数字电视调谐器的可变增益低噪声放大器。它包括有源高 增益低噪声放大器和无源电阻分压衰减器等。 5) 完成版图设计和仿真验证工作。 1.4 论文组织结构 本论文一共分为六章，具体组织结构如下： 第一章概述性地介绍了本文的研究背景和研究内容。 第二章介绍了低噪声放大器的性能指标，从匹配、增益、噪声系数和线性度 等方面总结分析常见低噪声放大器的结构和优缺点等。 第三章详细解释了一个基于有源负反馈结构的低噪声放大器的设计过程，包 括输入阻抗匹配、电压增益、带宽、噪声系数、线性度和稳定性等
第一章概述 第四章针对数字电视调谐器的要求，完成电阻衰减器的设计。电阻衰减器与 有源放大器模块配合，构建完整的可变增益低噪声放大器系统。接着，详细分析 增益范围及增益台阶的实现，分析面临的主要问题和难点。最后，给出了完整的 宽带可变增益低噪声放大器。 第五章先介绍可变增益低噪声放大器的版图设计，然后给出后仿真结果及与 其他己报道文献中低噪声放大器的性能比较。 第六章是本文的总结和未来的工作的展望。 9
第一章 概述 9 第四章针对数字电视调谐器的要求，完成电阻衰减器的设计。电阻衰减器与 有源放大器模块配合，构建完整的可变增益低噪声放大器系统。接着，详细分析 增益范围及增益台阶的实现，分析面临的主要问题和难点。最后，给出了完整的 宽带可变增益低噪声放大器。 第五章先介绍可变增益低噪声放大器的版图设计，然后给出后仿真结果及与 其他已报道文献中低噪声放大器的性能比较。 第六章是本文的总结和未来的工作的展望
第二章常见低噪声放大器 第二章常见低噪声放大器 本章首先介绍低噪声放大器的几个重要概念和性能指标，然后分别从阻抗匹 配、电压增益、噪声因子、带宽及线性度等方面介绍和分析常见低噪声放大器的 电路结构，并总结和对比各种电路结构的优缺点。 2.1主要性能参数 2.1.1输入反射损耗系数 低噪声放大器的输入阻抗Zn通常为502[20]，用输入反射系数S11衡量， Lin -Rs (2.1) Zn+Rs 其中Rs是输入源阻抗。通常要求S11小于-10dB即可。宽带低噪声放大器要保 证在宽频带内都达到平坦的阻抗匹配是比较困难的。 2.1.2噪声系数 a (b 图2-1MOS管的沟道噪声 噪声是一种随机过程，通常用功率谱密度(Power Spectral Density,PSD) 表示器件的噪声特性。常见的噪声源有电阻热噪声、M○S管沟道热噪声和MOS 管闪烁噪声等21]。 阻值为R的电阻的噪声可以用与电阻串联的电压源V或与之并联的电流源 表示，单边功率谱密度表示为： V2 4kTR (2.2) 尺-4k7 R (2.3) 其中k(=1.38×1023J/K)是玻尔兹曼常数(Boltzmann Constant)),T是绝对温度。 对工作在饱和区的长沟道MOS器件而言，其最主要的噪声源是沟道热电流 噪声，如图2-1所示，可以用一个连接在MOS管漏源两极的噪声电流源表示： 区=4kTVg0 (2.4) 其中，go是当Vbs=0时的漏源跨导，对于长沟道器件有go与饱和区的gm相等。 11
第二章 常见低噪声放大器 11 第二章 常见低噪声放大器 本章首先介绍低噪声放大器的几个重要概念和性能指标，然后分别从阻抗匹 配、电压增益、噪声因子、带宽及线性度等方面介绍和分析常见低噪声放大器的 电路结构，并总结和对比各种电路结构的优缺点。 2.1 主要性能参数 2.1.1 输入反射损耗系数 低噪声放大器的输入阻抗 Zin通常为 50 Ω[20]，用输入反射系数 S11 衡量， in S 11 in S 20log Z R S Z R (2.1) 其中 RS是输入源阻抗。通常要求 S11小于−10 dB 即可。宽带低噪声放大器要保 证在宽频带内都达到平坦的阻抗匹配是比较困难的。 2.1.2 噪声系数 图 2-1 MOS 管的沟道噪声 噪声是一种随机过程，通常用功率谱密度(Power Spectral Density，PSD) 表示器件的噪声特性。常见的噪声源有电阻热噪声、MOS 管沟道热噪声和 MOS 管闪烁噪声等[21]。 阻值为R的电阻的噪声可以用与电阻串联的电压源Vn 2或与之并联的电流源 In 2表示，单边功率谱密度表示为： 2 V TR n 4k (2.2) 2 n 4kT I R (2.3) 其中 k(=1.38×10−23 J/K)是玻尔兹曼常数(Boltzmann Constant)，T 是绝对温度。 对工作在饱和区的长沟道 MOS 器件而言，其最主要的噪声源是沟道热电流 噪声，如图 2-1 所示，可以用一个连接在 MOS 管漏源两极的噪声电流源表示： 2 I T n d0 4k γg (2.4) 其中，gd0是当 VDS=0 时的漏源跨导，对于长沟道器件有 gd0与饱和区的 gm 相等
第二章常见低噪声放大器 Y是白噪声系数[22]，通常有y=23,在深亚微米工艺中，y~1,甚至更大。为简 便起见，本文的理论分析用gm代替go。 MOS管的闪烁噪声(Flicker Noise)[21],也称为1/f噪声，可以用与栅极串 联的噪声电压源表示，其表达式为： (2.5) C.WL f 其中，K是与工艺有关的常量，在1025V2F数量级，Cx为单位面积栅氧化层 电容，W和L分别是MOS管的宽和长。 除上述常见噪声源以外，在频率接近器件的特征频率T时，器件还会呈现 出栅感应电流噪声(Gate-induced Noise Current)[23],但是在一般的低频电路分 析常常可以忽略。 基于以上噪声源模型，任何电路可以用等效输入噪声和等效输出噪声来表示 电路的噪声特性，然后，用噪声系数(Noise Figure,N日衡量电路的噪声性能。 噪声系数是噪声因子(Noise Factor,月的分贝表示形式，噪声因子F定义为输入 信噪比SNRn和输出信噪比SNRout的比值，F和NF定义式分别为： F= SNRin SNRou (2.6) NF =10log- SNRin NRou (2.7) 针对某个具体的电路结构的理论推导，通常以噪声因子形式给出电路的噪声 性能。但是，仿真和测试结果则常用噪声系数表述。 2.1.3线性度 实际电路往往具有非线性，非线性特性往往采用输入三阶交调点表征。 仿真和测试中常用双音(Two-Tone)测试的方法得到lP3[20], APe+Paloom (2.8) 其中，△P代表双音测试中一阶项与三阶交调项的差值，Pn是双音测试信号的单 音输入信号功率。 2.1.4级联的噪声和线性度 电视调谐器的简化级联结构如图2-2所示。可变增益低噪声放大器(Variable Gain Low Noise Amplifier,VGLNA)、正交混频器(Quadrature Mixer,Qmixer)、 滤波器(Filter)和可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier)的噪声系数 (相对源阻抗Rs)和lP3分别记作NF1~NF4和IP3,1~P3,4,空载全电压增益分别 表示为Avs1~Avs4,各级空载电压增益为Av1~Av4,那么整体系统的NFtotal和 12
第二章 常见低噪声放大器 12 γ 是白噪声系数[22]，通常有 γ=2/3，在深亚微米工艺中，γ≈1，甚至更大。为简 便起见，本文的理论分析用 gm代替 gd0。 MOS 管的闪烁噪声(Flicker Noise)[21]，也称为 1/f 噪声，可以用与栅极串 联的噪声电压源表示，其表达式为： 2 n ox K 1 V C WL f (2.5) 其中，K 是与工艺有关的常量，在 10−25 V2 F 数量级，Cox为单位面积栅氧化层 电容，W 和 L 分别是 MOS 管的宽和长。 除上述常见噪声源以外，在频率接近器件的特征频率 ωT 时，器件还会呈现 出栅感应电流噪声(Gate-induced Noise Current)[23]，但是在一般的低频电路分 析常常可以忽略。 基于以上噪声源模型，任何电路可以用等效输入噪声和等效输出噪声来表示 电路的噪声特性，然后，用噪声系数(Noise Figure，NF)衡量电路的噪声性能。 噪声系数是噪声因子(Noise Factor，F)的分贝表示形式，噪声因子 F 定义为输入 信噪比 SNRin和输出信噪比 SNRout的比值，F 和 NF 定义式分别为： in out SNR F SNR (2.6) in out 10log SNR NF SNR (2.7) 针对某个具体的电路结构的理论推导，通常以噪声因子形式给出电路的噪声 性能。但是，仿真和测试结果则常用噪声系数表述。 2.1.3 线性度 实际电路往往具有非线性，非线性特性往往采用输入三阶交调点表征。 仿真和测试中常用双音(Two-Tone)测试的方法得到 IIP3[20]， dB dBm dBm in ∆ 3 2 P IIP P (2.8) 其中，∆P 代表双音测试中一阶项与三阶交调项的差值，Pin是双音测试信号的单 音输入信号功率。 2.1.4 级联的噪声和线性度 电视调谐器的简化级联结构如图 2-2 所示。可变增益低噪声放大器(Variable Gain Low Noise Amplifier，VGLNA)、正交混频器(Quadrature Mixer，Qmixer)、 滤波器(Filter)和可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier)的噪声系数 (相对源阻抗 RS)和 IIP3分别记作 NF1~NF4和 IIP3,1~IIP3,4，空载全电压增益分别 表示为 AVS1~AVS4，各级空载电压增益为 AV1~AV4，那么整体系统的 NFtotal 和