C波段低噪声放大器的设计_张海拓

第３２卷　第３期２００９年６月电子器件ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌＯｆＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓＶｏｌ．３２　Ｎｏ．３Ｊｕｎ．２００９ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＨｉｇｈＧａｉｎＬｏｗＮｏｉｓｅａｎｄＬｏｗＰｏｗｅｒＴｒａｎｓ－ＩｍｐｅｄａｎｃｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ倡ＴＡＮＧＬｉｔｉａｎ，ＺＨＡＮＧＨａｉｙｉｎｇ倡，ＨＵＡＮＧＱｉｎｇｈｕａ，ＬＩＸｉａｏ，ＹＩＮＪｕｎｊｉａｎ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｈｉｇｈｇａｉｎ，ｌｏｗｎｏｉｓｅａｎｄｌｏｗｐｏｗｅｒｔｒａｎｓ－ｉｍｐｅｄａｎｃｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｕｓｉｎｇＴＳＭＣ０．１８μｍＣＭＯＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｉｍｉｎｇａｔｓｏｍｅｐｒａｃｔｉｃｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｈａｖｉｎｇａｈｉｇｈｐａｒａｓｉｔｉｃｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆ３ｐＦ，ＲＧＣｉｎｐｕｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｏｕｔｆｅｅｄｂａｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｓｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｇｏｏｄｔｒａｄｅｏｆｆｂｅｔｗｅｅｎｇａｉｎ，ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｎｏｉｓｅ，ｄｙｎａｍｉｃｒａｎｇｅａｎｄｌｏｗｅｒｐｏｗｅｒｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｅｓｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅ：ｔｈｅｓｉｎｇｌｅ－ｅｎｄｔｒａｎｓ－ｉｍｐｅｄａｎｃｅｇａｉｎｉｓ７８ｄＢ・Ω，ｔｈｅ－３ｄＢｂａｎｄ－ｗｉｄｔｈｉｓｂｅｙｏｎｄ３００ＭＨｚ，ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｉｎｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｎｏｉｓｅｓｐｅｃｔｒａｌｄｅｎｓｉｔｙａｔ１００ＭＨｚｉｓ６．３ｐＡ／Ｈｚ，ａｎｄｔｈｅｐｏｗｅｒｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｉｓｏｎｌｙ１４．４ｍＷ．Ｔｈｅｄｉｅｓｉｚｅ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｌｌｔｈｅＰＡＤｓ）ｉｓａｓｓｍａｌｌａｓ５００μｍ×４６０μｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓ－ｉｍｐｅｄａｎｃｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｒｅｇｕｌａｔｅｄｃａｓｃｏｄｅ（ＲＧＣ）；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｉｎｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｎｏｉｓｅｓｐｅｃｔｒａｌｄｅｎｓｉｔｙ；０．１８μｍＣＭＯＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥＥＡＣＣ：２５７０Ｄ；１２２０；５２３０一种高增益低噪声低功耗跨阻放大器设计与实现倡唐立田，张海英倡，黄清华，李　潇，尹军舰（中国科学院微电子研究所微波器件与电路研究室，北京１０００２９）收稿日期：２００９－０２－２０基金项目：国家自然科学基金资助（６０２７６０２１）；国家重点基础研究发展规划项目资助（Ｇ２００２ＣＢ３１１９０１）作者简介：唐立田（１９８３－），男，目前为中国科学院微电子研究所硕士研究生，主要研究方向为模拟与射频集成电路设计，ｔａｎｇ２００３８３１＠１６３．ｃｏｍ；张海英，女，研究员，中科院微电子所微波器件与集成电路实验室副主任，ｚｈａｎｇｈａｉｙｉｎｇ＠ｉｍｅ．ａｃ．ｃｎ摘　要：采用ＴＳＭＣ０．１８μｍＣＭＯＳ工艺设计并实现了一种高增益、低噪声和低功耗跨阻放大器。

低噪话筒麦克风放大电路设计摘要：麦克风是一种将声音转换成电信号的装置，常用于音频采集、语音识别、语音合成等应用中。

在麦克风电路中，放大电路是主要的一部分，其功能是将微弱的麦克风信号放大到适合输入到后续电路中的水平。

在本文中，我们将介绍一种低噪话筒麦克风放大电路的设计。

引言：目前市场上已经有很多种麦克风放大电路的设计方案，但是低噪声一直是一个难题。

在设计低噪话筒麦克风放大电路时，需要考虑音频信号的放大和噪声的抑制两个方面。

本文将针对这些问题提供一种解决方案。

主体：低噪声话筒麦克风放大电路的设计主要包括以下几个方面。

1.选择低噪声运放芯片：在麦克风放大电路中，运放是一个起到放大和滤波作用的关键部件。

为了保证低噪声的要求，合适的选择低噪声运放芯片是非常重要的。

常用的低噪声运放芯片有NE5532、TL072等。

在选择时，需要考虑其噪声系数和增益等参数。

2.适当选择放大倍数：放大倍数的选择应根据麦克风信号的输入水平和后续电路的输入要求来确定。

放大倍数过大会容易引入噪声，而放大倍数过小则可能导致信号过小无法满足后续处理电路的工作要求。

在设计中需要进行恰当的权衡。

3.电源滤波和消除地线杂散声：在麦克风放大电路中，电源滤波是非常重要的一环。

电源滤波电路能够滤除电源中的高频噪声。

此外，地线杂散声也是一个要考虑的问题。

在设计中，可以采取一些防护措施，如使用单点接地，尽量减少杂散产生的机会等。

4.使用差模输入方式：差模输入方式可以大大减少输入信号中的共模噪声。

常用的差模输入运放有INA103、INA128等，它们能够抑制共模噪声，提高信号质量。

5.使用低噪声电阻：电阻噪声在放大电路中占有重要地位。

使用低噪声电阻能够减少电路中的噪声，提高信号质量。

常用的低噪声电阻有金属膜电阻、金属箔电阻等。

结论：低噪声话筒麦克风放大电路的设计要点包括选择低噪声运放芯片、适当选择放大倍数、电源滤波和消除地线杂散声、使用差模输入方式以及使用低噪声电阻等。

摘要近年来，以电池作为电源的电子产品得到广泛使用，迫切要求采用低电压的模拟电路来降低功耗，所以低电压、低功耗模拟电路设计技术正成为研究的热点。

本文主要讨论电感负反馈cascode-CMOS-LNA（共源共栅低噪声放大器）的噪声优化技术，同时也分析了噪声和输入同时匹配的SNIM技术。

以噪声参数方程为基础，列出了简单易懂的设计原理。

为了实现低电压、低噪声、高线性度的设计指标，在本文中使用了三种设计技术。

第一，本文以大量的篇幅推导出了一个理想化的噪声结论，并使用Matlab分析了基于功耗限制的噪声系数，取得最优化的晶体管尺寸。

第二，为了实现低电压设计，引用了一个折叠式的共源共栅结构低噪声放大器。

第三，通过线性度的理论分析并结合实验仿真的方法，得出了设计一个高线性度的最后方案。

另外，为了改善射频集成电路的器件参数选择的灵活性，在第四章中使用了一种差分结构。

所设计的电路用CHARTER公司0.25μm CMOS 工艺技术实现，并使用Cadence的spectre RF 工具进行仿真分析。

本文使用的差分电路结构只进行了电路级的仿真，而折叠式的共源共栅电路进行了电路级的仿真、版图设计、版图参数提取、电路版图一致性检查和后模拟，完成了整个低噪声放大器的设计流程。

折叠式低噪声放大器的仿真结果为：噪声系数NF为1.30dB，反射参数S11、S12、S22分别为-21.73dB、-30.62dB、-23.45dB，正向增益S21为14.27dB，1dB 压缩点为-12.8dBm，三阶交调点IIP3 为0.58dBm。

整个电路工作在1V电源下，消耗的电流为8.19mA，总的功耗为8.19mW。

所有仿真的技术指标达到设计要求。

关键字：低噪声放大器；噪声系数；低电压、低功耗；共源共栅；噪声匹配ABSTRACTIn recent years, electronics with battery supply are widely used, which cries for adopting low voltage analog circuits to reduce power consumption, so low voltage, low power analog circuit design techniques are becoming research hotspot. This paper mainly discusses noise figure optimization techniques for inductively degenerated cascode CMOS low-noise amplifiers (LNAs) with on-chip inductors. And it reviews and analyzes simultaneous noise and input matching techniques (SNIM). Based on the noise parameter equations, this paper provides clear understanding of the design principle. In order to achieve low-voltage, low noise, high-linearity of the design specifications, in this paper by three design technology. Firstly, using Matlab tool analyzes noise figure based on power-constrained, and obtain the optimum transistor size. Secondly, design a folded-cascode-type LNA to reduce the power supper. Third, through theoretical analysis of Linear and combine simulation methods, I obtain a final design of a high-linearity. On the other side, in order to improve the radio frequency integrated circuit device parameters of flexibility, this paper presents a difference in the structure in the fourth chapter. The proposed circuit design is realized using csm25RF 0.25μm CMOS technology, simulated with Cadence specter RF.Based on csm25RF 0.25μm CMOS technology, the resulting differential LNA achieves 1.32dB noise figure, -20.65dB S11, -24dB S22, -30.27 S12, 14 dB S21. The LNA's 1-dB compression point is -13.3dBm, and IIP3 is -0.79dBm, with the core circuit consuming 8.1mA from a 1V power supply.Key words：low-noise amplifier (LNA)；noise figure；low voltage low power；cascode；noise matching目录第一章绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.2研究现状及存在的问题 (2)1.3本论文主要工作 (3)1.4论文内容安排 (3)第二章射频电路噪声理论和线性度分析 (4)2.1噪声理论 (4)2.1.1 噪声的表示方法 (4)2.1.2 本文研究的器件噪声类型 (5)2.1.2.1 热噪声 (5)2.1.2.2 MOS噪声模型 (6)2.1.3 两端口网络噪声理论 (7)2.1.4 多级及联网络噪声系数计算 (9)2.2MOSFET两端口网络噪声参数的理论分析 (10)2.3降低噪声系数的一般措施 (13)2.4MOS LNA线性度分析 (14)2.4.1 1dB压缩点 (14)2.4.2 三阶输入交调点IIP3 (16)2.4.3 多级及联网络线性度表示方法（起最重要作用的线性级） (17)2.5小结 (18)第三章 CMOS低噪声放大器的设计理论推导 (20)3.1LNA设计指标 (20)3.1.1 噪声系数 (20)3.1.2 增益 (20)3.1.3 线性度 (20)3.1.4 输入输出匹配 (21)3.1.5 输入输出隔离 (21)3.1.6 电路功耗 (21)3.1.7 稳定性 (21)3.2CMOS LNA拓扑结构分析 (21)3.2.1 基本结构及比较 (21)3.2.2 源极去耦与噪声、输入同时匹配(SNIM)的设计 (22)3.2.3 共源共栅电路结构（cascode） (27)3.2.4 功率限制的单端分析—获得最佳化的宽长比 (29)3.3其它改进型电路比较 (31)3.4偏置电路的设计 (33)3.5 CASCODE设计结论 (34)第四章 2.4GHZ LNA电路设计 (35)4.1工艺库的元器件 (35)4.2差分CASCODE电路 (35)4.2.1 差分电路的设计 (35)4.2.2 差分电路的电路极仿真 (37)4.3单端CASCODE电路 (39)4.3.1 单端电路的设计 (39)4.3.2 单端电路的电路级仿真 (43)4.3.3 单端电路的版图设计、提取及后模拟 (45)4.4电路级仿真和后模拟仿真总结 (48)4.5与其它电路的比较 (49)结束语 (51)致谢 (52)参考文献 (53)附录A 二端口网络的噪声理论补充 (54)附录B S参数与反射系数 (56)B.1双端口网络S参数 (56)B.2反射系数与S参数的关系 (57)B.3其它参数与S参数的关系 (58)附录C 电感源极负反馈共源电路噪声推导 (59)附录D MATLAB程序 (63)第一章绪论1.1 课题背景在最近的十多年来，迅猛发展的射频无线通信技术被广泛地应用于当今社会的各个领域中，如：高速语音来，第3代移动通信(3G)、高速无线互联网、Bluetooth以及利用MPEG 标准实现无线视频图像传输的卫星电视服务等技术是日新月异，无线通讯技术得到了飞速发展，预计到2010年，无线通信用户将达到10亿人[1]，并超过有线通信用户。

L波段低噪声放大器的设计
张冬雪;陈世勇;梁吉申
【期刊名称】《电子设计应用》
【年(卷),期】2008(000)002
【摘要】本文首先介绍了低噪声放大器的设计方法以及采用源极串联负反馈提高晶体管稳定性的原理,然后使用该方法设计了一个L波段低噪声放大器.仿真结果表明该放大器的噪声系数小于1dB,增益大于30dB.
【总页数】3页(P80-82)
【作者】张冬雪;陈世勇;梁吉申
【作者单位】重庆大学通信工程学院;重庆大学通信工程学院;重庆通信学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN7
【相关文献】
1.一种L波段低噪声放大器的设计与仿真 [J], 陈爱萍;赵明;文斌
2.L波段低噪声放大器的仿真和设计 [J], 王烁;王争;夏侯海;周春霞;左涛;冯洪辉;阎少林
3.L波段低噪声放大器的分析与设计 [J], 李沛;吴晓光
4.L波段低噪声放大器的设计与仿真 [J], 张志华
5.星载L波段宽带低噪声放大器芯片设计 [J], 赵博超;徐辉;殷盼;贺娟;张大为;徐鑫因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

低噪声放大器我们用的是搞电子迁移率晶体管ATF54143芯片进行低噪放的设计。

设计目标：工作频率2.4~2.5G ISM频段，此频段( 2.4~2.4835GHz)主要是开放给工业，科学、医学，三个主要机构使用。

噪声系数NF<0.7增益Gain>15驻波比VSWRin<1.5,VSWRout<1.5设计制作：安装晶体管器件，器件已经给大家。

进入ADS主界面，按上图操作，找到并选中器件，安装。

工程自动生成，可见下图可以打开原理图看一下，其实就是此晶体管的封装。

再新建一个工程，名称随意，添加library，按照以下步骤：选择add library definition file这个按钮，寻找一下刚才生成的工程的路径，进入寻找lib.defs新建的工程里面也就添加了一个atf54143_dt，在此工程也就可以使用这个晶体管了。

新建原理图，图标，按照下图选择所需器件，右键单机，选择place component，即可在原理图画出器件。

按下图画出原理图可在中直接输入名称来超找器件，器件名称即比较淡的可看作器件名，输入即可得到器件。

比如输入TERM，即可得到以前看到过的阻抗。

连接好器件后设置参数，DC_FET参数参数含义依次为起始栅极电压，终极栅极电压，栅电流值的采样点数目，初始漏-源电压，终止漏-源电压，漏-源电压值的采样点数目。

选择displaytemplate，按下按钮，选择参数OK后记得到上一级界面按下ADD键，即添加了模版。

点击开始仿真，得到ATF54143的直流特性图。

从ATF54143的数据手册中可以读出其偏置电流曲线，Fmin 接近最小值，增益大约为16.3dB ，满足设计要求。

那么晶体管的直流工作点就设为V 3=ds V ，mA 20=ds I 。

画偏置电路：新建一个原理图，按照下图画出原理图。

器件找寻方法见上文。

再按照上图设置好元器件参数。

选择选中其中的选项，输入晶体管的直流工作点Vdd=5V，Vds=3V，Ids=20mA。

多道能谱仪的低噪声放大器设计介绍了一种多道能谱仪放大器的低噪声设计，其中前置放大器选用超低噪声、精准型高速运算放大器，并利用OrCAD Pspice仿真工具对电路进行噪声仿真分析来选择元器件，获得了输入端噪声电压为1.53的好性能。

主放大器具有放大倍数线性好、频率宽度宽、元件少、可靠性高的特点。

标签：多道能谱仪；低噪声放大器；噪声仿真；OrCAD Pspice标签：石化企业装备数字化企业管理一、引言多道能谱仪具有现场直接测量、多种元素快速分析等特点，已经成为一种重要的物质成分分析仪器而获得广泛的应用[1～3]。

在高精度、高分辨率多道能谱仪硬件设计中，低噪声放大器的设计非常重要，也是难点。

多道能谱仪中核探测器的输出信号一般比较小，为了降低噪声影响，通常核探测器的输出信号需要经过前置放大和主放大两个过程[4-5]。

传统的前置放大器应用电压灵敏前置放大器较多，但电荷灵敏前置放大器更具有良好的低噪声性能，输出信号幅度基本上不受探测器极间电容、放大器开环增益、输入电容和电压增益等参数稳定性的影响，得到广泛的应用，目前高精度、高分辨率能谱仪中前放几乎都是电荷灵敏前置放大器[6]。

多道能谱仪主放大器最基本的功能是放大前置放大器输出的脉冲，以提供合适的脉冲幅度给多道脉冲幅度分析器使用。

此外，成形电路还要对前放来的信号进行滤波成形，以使主放大器的输出信号有最佳的信噪比[7～9]。

二、电路结构1. 低噪声放大器整体设计。

低噪声放大器整体设计如图1所示，采用两级放大和一级成形电路构成，对于微弱的信号，前置放大器最关键，应尽可能采用低噪声器件，精心设计PCB，否则引入的噪声将随着信号一起进入主放大器被放大。

主放大器应为线性脉冲放大器，对于多道能谱仪，特别强调线性，所谓线性是指主放大器的输出信号应与输入信号幅度保持严格的线性关系，同时应有足够的放大倍数，能将探测器给出的信号放大到足够的幅度。

主放大器同时应为脉冲放大器，从频率特性来看，脉冲放大器绝对是宽带放大器，脉冲宽度tu愈窄，或信号上升时间tr愈短，则要求放大器的频带Δf愈宽。

L波段低噪声放大器的设计与仿真作者：张志华来源：《科技创新导报》 2012年第9期张志华(杭州电子科技大学微波所浙江杭州 310018)摘要:选用Agilent公司的PHEMT晶体管ATF-54143,设计了一种基于负反馈技术的L波段低噪声放大器。

其匹配网络是由集总元件与微带共同组成,使用Micrcowave2002对整个电路进行优化设计。

在1～1.5GHZ的频率范围内,低噪声放大器噪声系数小于0.6dB,输入/输出驻波比小于1.5,增益大于20dB。

关键词:匹配反馈低噪声放大器优化设计中图分类号:TN722.3 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)03(c)-0026-011 引言低噪声放大器是现代无线通信、卫星、雷达、电子对抗体系等应用中一个很重要的部分,多用于接收系统的前端。

用来放大信号和抑制噪声干扰,同时提高系统的灵敏度。

2 设计方案2.1 级联电路噪声分析放大器的噪声系数NF可定义如下其中:Nf为放大器整机噪声系数;Nf1,Nf2,Nf3分别为第1,2,3级的噪声系数;G1,G2分别为第1,2级功率增益。

从上面的讨论可以知道,当前级增益G1和G2足够大的时候,整机的噪声系数接近第一级的噪声系数。

因此多级放大器第一级噪音系数大小起决定作用。

2.2 稳定性分析射频微波放大器与振荡器属于有源器件,是射频微波电子系统不可缺少的功能单元,它们分别起着放大及产生微波信号的作用。

一般晶体管存在稳定及非稳定两个区域,是工作于放大状态还是振荡状态,取决于输入及输出端的匹配设计。

放大器稳定性判定条件:2.3 匹配电路设计要实现最大的功率传输,必须使负载阻抗与源阻抗相匹配。

实现匹配的通常做法是在源和负载之间再插入一个无源网络。

这种无源网络通常被视为匹配网络。

然而,他们的功能并不仅局限于为实现理想功率传输而在源和负载之间进行阻抗匹配。

事实上,许多实际的匹配网络并不是仅仅为减小功率损耗而设计的,它们还具有其他功能,如减小噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等。

L波段低噪声放大器的分析与设计李沛;吴晓光【摘要】利用Advanced Design System(ADS)完成了L波段低噪声放大器(LNA)的设计.分析了实际电路可能产生的非连续性、寄生参数效应等因素对电路各个性能指标的影响,并针对这些因素利用ADS进行了电磁仿真计算,最后给出了放大器的仿真结果和最终电路及测试结果.采用ATF-35143器件设计,达到了预定的技术指标,工作频率1.21GHz,增益G大于14dB,噪声系数NF小于0.5 dB,输入1dB压缩点大干5dbm.【期刊名称】《武汉纺织大学学报》【年(卷),期】2010(023)001【总页数】4页(P44-47)【关键词】射频微波集成电路;低噪声放大器;ADS;噪声系数;阻抗匹配【作者】李沛;吴晓光【作者单位】武汉科技学院,机电工程学院,湖北,武汉,430073;武汉科技学院,机电工程学院,湖北,武汉,430073【正文语种】中文【中图分类】TN722近年来，无线通信、卫星通信、全球定位系统、雷达及无线接入系统迅速发展。

现代通讯要求通信距离越来越远、接受的灵敏度越来越高[1]。

新型半导体器件的研制 ,使高速数字系统和高频模拟系统不断扩展 ,射频和微波频率应用越来越广泛。

L波段的频率范围为1-2GHz ,处于微波频率的低端。

低噪声放大器(LNA) 作为接收系统的前端对系统的各项指标起着关键作用,因此设计性能良好的 LNA就有着重要的意义[2]。

放大电路采用ATF-35143管子进行设计,偏置在VDS=2V,ID=15 mA的条件下，当频率为1.20GHz时,参照管子特性可知 ,ATF-35143在这个频段的噪声系数为0.3dB。

此外，由于ATF-35143有非常低的噪声阻抗,这会减小由于改变输入端阻抗匹配对噪声性能敏感度的影响。

放大器的设计思路有多种,主要有按放大器的增益、噪声系数、驻波比等来设计。

设计LNA 需考虑到稳定性的问题 ,稳定性分为无条件稳定和有条件稳定。