集成电路设计

由于超宽带（UWB）技术能够在短距离内以几百兆的速率进行数据传输，帮助 人们摆脱对导线的依赖，超高速数据的无线传输因此成为现实。尽管目前超宽带技术 的标准还没有完全统一， 但是低噪声放大器终归是其接收机中的一个不可或缺的重要 模块。 本文首先讨论了低噪声放大器 （LNA） 的研究现状及意义， 接下来介绍了一些CMOS 基本工艺、MOSFET技术。在第三章讨论了低噪声放大器设计理论，包括射频电路基础 知识、射频电路中的阻抗匹配，并对低噪声放大器的结构及性能进行一定的分析。在 第四章首先介绍了超宽带技术，接着分别设计了两种基于0.18µmCMOS工艺、适用于 无线通信系统接收前端的超宽带低噪声放大器（UWB LNA） ，结合Cadence软件进行 仿真，得出了一些仿真数据。仿真发现两种超宽带低噪声放大器输入、输出均实现良 好的阻抗匹配，其输入端的反射系数S11和输出端的反射系数S22在3.1-10.6GHZ频带 范围内都是小于-10dB的，噪声系数都在4.3dB以下。在3.1-10.6GHZ的频带范围内两 种超宽带低噪声放大器的增益分别为12±1dB及29±1dB，在1.8V工作电压下放大器 的直流功耗约分别为21.6mw 和37.44mw。 关键词：CMOS 超宽带 低噪声放大器
The ultra-wide-band (UWB) technology enables the data transmission at a rate up to several mega-bit per second within a short distance, making ultra-high-speed wireless data transmission possible. Although UWB standards are yet to be unified, low noise amplifier (LNA) with ultra-wide bandwidth is always an indispensable component. This paper studies the research status and significance of low-noise amplifiers. The
basic knowledge of CMOS technology relevant to LNA design is also described. The third chapter discusses the low-noise amplifier design theory, including some basic knowledge of RF circuits, RF circuit impedance matching, and low noise amplifier structure and performance with some analysis. In the fourth chapter, we introduce some ultra-wideband circuit design methods, and then design two ultra-wideband low noise amplifiers realized in 0.18µm CMOS technology for wireless communication systems. The proposed circuits are designed and simulated in Cadence. Simulation found that the two ultra-wideband low noise amplifier input and output are to achieve good impedance matching, the input reflection coefficient S11 and output reflection coefficient S22 in the frequency range 3.1-10.6GHZ are less than-10dB, the noise coefficient in 4.3dB less. In the 3.1-10.6GHZ frequency range of two ultra-wideband low-noise amplifier gain was 12 ± 1dB and 29 ± 1dB, 1.8V operating voltage amplifier in the DC power consumption of about were 21.6mw and 37.44mw. Key Words: CMOS Ultra-wide-band (UWB) Low Noise Amplifier (LNA)
Written
by Xu Guoming
Supervised by Lu Zhenghao
II
基于 0.18µm CMOS 工艺的超宽带低噪声放大器设计
第一章 绪
论
第一章
1.1 引 言
绪
论
近年来，通信技术获得了惊人的发展，尤其是无线通信更是当前发展最快的技术 之一。无线通信技术的总趋势是走向高速化、超带宽。 超宽带（UWB）技术是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄 脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，一般认为-10dB 相对带宽超过 25％，或 者-10dB 绝对带宽超过 500MHz 就称为超宽带[1]。超宽带（UWB）技术始于 20 世纪 60 年代兴起的脉冲通信技术，利用频谱极宽的超短脉冲进行通信，主要用于军用雷达、 定位和通信系统中。美国联邦通信委员会（FCC）对此项新技术进行反复论证，认为 超宽带系统可以在 3.1GHz-10.6GHz 之间以有限功率运行,并于 2002 年 2 月 14 号正式 批准了将 UWB 技术应用于民用通信的议案。超宽带有别于其他现存的一些通信技术， 其最根本的区别在于无需载波，可以直接发射冲激脉冲序列，因而具有很宽的频谱和 很低的平均功率，有利于与其他系统共存，提高频谱利用率，大大降低了发射和接收 设备的复杂性。 UWB 常被设计用来给家庭和办公中的高速无线通信提供便利和可移动性，特别是 在短距离范围内的 WPAN 使用上，UWB 将帮助人们摆脱对导线的依赖，并使视频或其 他需要大带宽的数据的无线传输从几乎不可能变为现实。 一项数据显示 UWB 设备可以 在 10 米范围内以 110Mbps 的速度传输数据。这个带宽速度是蓝牙技术的 100 倍，是 Wi-Fi 技术的 2 倍。在一次通信中，这个带宽的容量是现代视频信号的 3 倍。设计师 们确信 UWB 产品的速度上限能够达到 1Gbps。 相对于窄带信号，使用 UWB 技术进行无线传输具有以下优势[2]： （1）尽管有些时 候会依赖于收发设备之间的距离，但 UWB 标准消耗非常低的平均传输功率，以毫瓦作 为单位。 （2）因为每频带所需要的谱线能量很低，所以 UWB 通信十分安全可靠。它也 可以与在相同频带下工作的窄带系统并存。 （3）UWB 更高的带宽支持高达 1Gbps 的数 据传输速度。 （4）UWB 通信在多通道的分时复用和接收的正确性上表现优异。 很明显 UWB 是一项成长中，旨在取代其他窄带技术的用于短距离通信的手段，因
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基于 0.18µm CMOS 工艺的超宽带低噪声放大器设计
第一章 绪
论
到了显著的提高，例如，MOSFET 的截止频率己经接近甚至超过了双极型晶体管，甚 至超过 l00GHz[6-8]。而且，与上面提及的传统射频工艺相比，射频 CMOS 工艺有着先天 的优势----高集成度（与基带、数字信号处理模块工艺兼容）、低成本。因此，射频 CMOS 工艺使得前面提到的射频电路的小型化、低成本研究方向成为可能，掀起了学 术界对全集成 CMOS 无线接收机的研究热点，例如 Stanford 大学 Thomas H.Lee 带头 的 SMIrC 实验室； Berkeley 大学 Paul R.Grav 领导的射频集成电路设计研究小组； UCLA 的 Asad A.Abidi 带领的 AAGroup 研究小组等。随着其技术的发展，CMOS 工艺已 逐渐成为射频集成电路设计的主流工艺。 1.2.1 窄带低噪声放大器的研究现状 1997 年，在 Thomas H.Lee 等发表的文献[9]中，总结了低噪声放大器的 4 种基本 结构，如图 1.1 所示：电阻端接， 1 g m 端接，旁路电阻反馈，电感反馈。
作
者： 徐国明
指导教师： 鲁征浩
I
Abstract
Design of Ultra-Wide-Band Low Noise Amplifier Based on the 0.18µm CMOS TechnologyLow Noise Amplifier Based on the 0.18µm CMOS Technology Abstract
Z Z
in
Z
in
Z
in
in
（1）电阻端接
（2） 1 g m 端接 图 1.1
（3）旁路电阻反馈
（4）电感反馈
四种基本结构的 LNA 示意图
对于电阻端接形式，由于 50 Ω 电阻与 50 Ω 源电阻的噪声贡献相同，所以这种结 构的噪声指数将超过 3dB。 对于 1 g m 端接形式， 噪声指数为： 1+ γ α ， 其中 α = g m g d 0 ，
苏州大学 硕士学位论文 基于0.18μmCMOS工艺的超宽带低噪声放大器设计 姓名：徐国明 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：鲁征浩 2010-10-15
基于 0.18μm CMOS 工艺的超宽带低噪声放大器设计
中文摘要
基于0.18µm CMOS工艺的超宽带低噪声放大器设计 中文摘要
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第一章 绪
论
基于 0.18µm CMOS 工艺的超宽带低噪声放大器设计
此超宽带技术在高速无线个人网（HDR-WPAN） ；无线以太网接口链路（WEIL） ；智能无 线区域网（IWAN） ；室外点对点网络（OPPN） ；传感器定位和识别网络（SPIN）将有着 广泛的应用[3]。 在超宽带接收机系统中，低噪声放大器（Low noise amplifier 简称 LNA）是接 收前端的最重要模块之一。它位于处于天线和射频滤波器后的第一级，必须对射滤波 器表现为一个 50Ω 的负载特性以保证最大的功率传输，其噪声特性将直接影响整个 系统的噪声性能[4]，进而决定接收机的灵敏度和动态工作范围。与普通放大器相比， 低噪声放大器一方面可以减小系统的杂波干扰，提高系统的灵敏度；另一方面放大系 统的信号，保证系统工作的正常运行。可以不夸张的说，低噪声放大器的性能不仅制 约了整个接收系统的性能，而且，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性 的作用。因此，研制合适的高性能、更低噪声的放大器，已经成为超宽带系统设计中 的核心技术之一[5]。因此本次论文主要将从不同的方面讨论 UWB 设备中低噪声放大器 的设计。一个典型的 UWB LNA 说明由表 1.1 列出。