射頻低噪聲放大器的噪聲理論

CMOS射頻低噪聲放大器噪聲理論文獻(xiàn)綜述摘要低噪聲放大器是無線通信射頻接收電路中的第一個(gè)有源電路。主要功能是將來自天線的微伏級的電壓信號進(jìn)行小信號放大后傳輸?shù)较乱患夒娐?。因此，低噪聲放大器的特性對射頻接收系統(tǒng)的性能起著決定作用。對低噪聲放大器的設(shè)計(jì)要求一般需要滿足以下幾個(gè)，首先要求足夠高的增益來抑制后級電路的噪聲對射頻接收系統(tǒng)的影響，其次低噪聲放大器本身的噪聲要低，這是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)低噪聲的根本，第三要有高的線性度以便處理某些大信號，第四是與前后級電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配以減少信號的反射。噪聲系數(shù)是低噪聲放大器最重要的性能指標(biāo)，本文主要研究低噪聲放大器的噪聲理論,其中包含了器件噪聲和經(jīng)典二端口的噪聲理論，在經(jīng)典二端口的噪聲理論中又分別著重介紹了噪聲因子和噪聲系數(shù)及噪聲溫度。關(guān)鍵詞：低噪聲放大器器件噪聲噪聲系數(shù)噪聲溫度前言低噪聲放大器(LNA)是射頻接收前端的至關(guān)重要的一部分。它的噪聲特性對整個(gè)接收系統(tǒng)影響重大。另外從空間傳輸?shù)教炀€的高頻信號十分微弱，所以系統(tǒng)的靈敏度受到低噪聲放大器自身噪聲特性的限制，也就是射頻系統(tǒng)能否正確的接收到的需要的信號將其放大并傳輸給下一級電路會(huì)受LNA噪聲性能的影響。所以射頻系統(tǒng)中LNA的主要性能指標(biāo)要求如下：增益。低噪聲放大器作為放大器首先要能夠提供足夠的增益來放大從天線接收到的微弱信號。如果LNA的增益不夠大則會(huì)對后面對信號的處理產(chǎn)生困難。但是，低噪聲放大器的增益也不能過大，如果放大的信號超過了后續(xù)電路能夠處理的線性范圍就會(huì)使信號產(chǎn)生失真。低噪聲放大器的增益范圍一般在15至20dB左右。噪聲系數(shù)。低噪聲放大器顧名思義需要低的噪聲，噪聲系數(shù)越低越好。在當(dāng)今的射頻系統(tǒng)中要求整機(jī)的噪聲系數(shù)要低，在高性能的低噪聲放大器一般要求噪聲系數(shù)低于3dB.工作頻率也會(huì)影響低噪聲放大器的噪聲系數(shù)，隨著頻率的升高噪聲系數(shù)也將變大。另外低噪聲放大器的噪聲系數(shù)不可能達(dá)到無限小，因?yàn)槠骷旧泶嬖诘脑肼曄拗屏嗽肼暤牡紫蕖＞€性度。一般用PIdB和IIP3來描述電路的典型度，兩者的典型度相差約9.6dB.兩者的數(shù)值越大，說明電路的線性度越高，電路能夠處理的信號越大，抵抗三次交調(diào)失真的能力越強(qiáng)。一般在設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)對IIP3的要求為-10dBm.功耗。當(dāng)今無線通訊系統(tǒng)特別是便攜式手持終端對低功耗的要求越來越高。隨著CMOS工藝的發(fā)展供電電壓要求越來越低，而功耗取決于電源電壓和電流的乘積。低功耗要求低的電流，而低的電流會(huì)產(chǎn)生高的噪聲。在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候需要折衷。在電路的其他性能得到保證的條件下，如果電路的功耗越低，供電電壓越低，就能實(shí)現(xiàn)更好的噪聲性能。穩(wěn)定性。作為放大器電路必須滿足穩(wěn)定性的要求。這樣才不會(huì)是低噪聲放大器電路產(chǎn)生震蕩因而失去對信號的放大功能。一般而言，噪聲系數(shù)是低噪聲放大器最重要的性能指標(biāo)，增益次之，然后是電路的功耗和線性度。因此，在實(shí)現(xiàn)低功耗、高線性度和增益的同時(shí)，如何將低噪聲放大器的噪聲性能盡可能的提高，從而改善接收機(jī)靈敏度是電路設(shè)計(jì)的最大困難所在。噪聲理論在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)過程中不可避免的受到一些非理想因素的干擾，其中對電路的性能有很大影響的一個(gè)因素就是電路的噪聲。噪聲可以寬泛的定義成任何與有用信號無關(guān)的隨機(jī)干擾，普遍存在于任何電路或者系統(tǒng)中，所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)必須對其加以考慮。噪聲性能的好壞是評價(jià)一個(gè)低噪聲放大器性能的一個(gè)很重要的指標(biāo)。2.1器件噪聲集成電路在處理模擬信號時(shí)會(huì)使信號受到兩種不同種類的噪聲損壞：器件的電子噪聲和環(huán)境噪聲。后者主要指電路受到的來自電源或者地線、襯底的隨機(jī)干擾。本文主要研究的是器件的電子噪聲，主要包括熱噪聲、閃爍噪聲和散粒噪聲。熱噪聲在導(dǎo)體中熱激勵(lì)的電荷載體構(gòu)成了隨機(jī)變化的電流，它引起了隨機(jī)的電壓這個(gè)電壓被稱為熱噪聲。熱噪聲正比于溫度T,一個(gè)被稱為“有效噪聲功率”的量由下式給出：P二kTAfNA式中，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，其單位為K;Af為測量范圍中的噪聲帶寬，其單位為HZ。有效噪聲功率指傳遞給負(fù)載的最大功率。傳遞最大功率的條件為：負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻,可以用下圖所示的電路來計(jì)算有效噪聲功率。R 圖2-1計(jì)算一個(gè)電阻熱噪聲的電路根據(jù)定義，由噪聲電阻傳遞到阻值相同的另一個(gè)電阻的功率就是有效噪聲功率其表達(dá)式為：e2P=kTAf=n-NA4Re2是給定溫度下電阻r在帶寬Af上所產(chǎn)生的開路均方根噪聲電壓。n閃爍噪聲閃爍噪聲的特點(diǎn)是普密度隨頻率的降低而無限的增加。通過實(shí)驗(yàn)測試表明許多電子系統(tǒng)在低頻下都表現(xiàn)出這樣的特征。閃爍噪聲在許多器件中都存在，如電阻，PN結(jié)，MOSFET。我們重點(diǎn)討論MOSFET的閃爍噪聲，許多懸掛鍵在MOS晶體管的硅襯底與柵氧化層的界面處形成，這些懸掛鍵導(dǎo)致額外的能態(tài)產(chǎn)生，如下圖所示，當(dāng)載流子運(yùn)動(dòng)這個(gè)交界面時(shí)會(huì)導(dǎo)致載流子被隨機(jī)俘獲，隨后這些能態(tài)釋放所以會(huì)在漏電流中形成“閃爍”的噪聲電流。圖2-2氧化物與硅界面處的懸掛鍵我們無法預(yù)測閃爍噪聲電流的大小，這一點(diǎn)與熱噪聲大不相同，根據(jù)柵氧化層-硅界面的“潔凈度”，閃爍噪聲的波動(dòng)范圍很大，并且因CMOS工藝的變化而變化。這個(gè)噪聲可以用與柵極串聯(lián)的一個(gè)電壓源來表示，粗略的計(jì)算公式為：KV2=nCWLfOXK是一個(gè)與工藝相關(guān)的常量，數(shù)量級為10-25V2F.此式中與WL呈現(xiàn)出反比的關(guān)系，我們可以這么認(rèn)為：閃爍噪聲要想降低，器件的面積就必須增加，所以面積為幾千平方微米的器件在低噪聲系統(tǒng)的應(yīng)該是非常常見的。由于工藝不同使得PMOS器件的閃爍噪聲要低于NMOS器件的閃爍噪聲。散粒噪聲散粒噪聲由于電荷表現(xiàn)出離散束的特性所以當(dāng)電子穿越不同的能力勢壘時(shí)都會(huì)導(dǎo)致不連續(xù)的電流脈沖的產(chǎn)生，正是由于電荷束的隨機(jī)性使得散粒噪聲表現(xiàn)出全頻帶的特征，也就是我們常說的自噪聲特性。散粒噪聲取決于電子電荷、總的DC電流以及帶寬。散粒噪聲公式如下：i2二2qIAfn DC式中匚是均方根噪聲電流，q是電子電荷，約為1.6*10-19C，IDC是DC電流。散粒噪聲的幅值曲線同樣服從高斯分布。2.2經(jīng)典的二端口網(wǎng)絡(luò)噪聲理論集中分析系統(tǒng)的噪聲模型可以使分析大大簡化并能深刻反映電路設(shè)計(jì)中的噪聲問題。

2.2.1噪聲因子衡量系統(tǒng)噪聲性能最重要的一個(gè)指標(biāo)就是噪聲因子，用F表示?？紤]由一個(gè)導(dǎo)納為Ys及等效的并聯(lián)噪聲電流is構(gòu)成的噪聲源驅(qū)動(dòng)的線性的含噪聲二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖所示：圖2-3圖2-3噪聲源驅(qū)動(dòng)一個(gè)焊噪聲的二端口網(wǎng)絡(luò)噪聲因子定義為總的噪聲輸出F=——輸入噪聲源引起的噪聲輸出功率圖2-4圖2-4等效噪聲模型圖2-4表示的是二端口網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲模型，將所有的噪聲在網(wǎng)絡(luò)的輸入端等效表示出來，此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)是無噪聲網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)噪聲源跟二端口網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲功率是不相關(guān)的，則噪聲系數(shù)的表達(dá)式為i2+i+Ye2F=snSn_i2s由i=i+incui二Yeccn得噪聲因子為i2+i+(Y得噪聲因子為i2+i+(Y+Y)eF=n Sen2— i2+Y+Y2e2—=1+-n-i2■ci2將每一個(gè)獨(dú)立的噪聲源看成由一個(gè)等效電阻或電導(dǎo)產(chǎn)生的熱噪聲e2ni2 n i2 n AkTAfG-七sAkTAf則F可表示為G+Y+YI2RF=1H n C nGsn如果一個(gè)給定二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性用它的4個(gè)噪聲參數(shù)（G、B、R、G）ccnu來表示，那么我們就可以得到使噪聲因子達(dá)到最小的一般條件：B二一B=BscoptG=:f+G2=GsRcopt'n最后得到最小的噪聲因子：^GF=1+2R[G+G]=1+2R[-n+G2+G]min noptc nR c cn因此在導(dǎo)納平面中常數(shù)噪聲因子的等值線是一些不相重疊的圓。最小噪聲和最大功率傳輸往往不能同時(shí)成立，所以對于最優(yōu)的噪聲性能和最大的功率傳輸我們只能兩者取其一，要么接受小于最優(yōu)傳輸功率的增益，要么接受大于最優(yōu)噪聲的噪聲。2.2.2噪聲系數(shù)和噪聲溫度噪聲系數(shù)是描述電路噪聲性能的另一種形式，它是噪聲因子用分貝表示的形式：NF=101og(F)噪聲溫度是描述一個(gè)放大器噪聲影響的另一種表示方法，用T表示。它定義N為引起參考溫度T丿寸全部輸出噪聲所需的噪聲源電阻的溫度上升。它與噪聲因ref子的關(guān)系如下所示：F二1+U T二T*(F-1)T Nrefref一個(gè)沒有附加本身噪聲的放大器具有的噪聲溫度為0K。加入任何一個(gè)噪聲源是“白色”的，導(dǎo)致噪聲功率不是頻率的強(qiáng)函數(shù)，則可把它模型化為等效噪聲源，并利用一個(gè)等效噪聲溫度來表征，用T表示。如果任意的白噪聲源就有一個(gè)驅(qū)動(dòng)e點(diǎn)阻抗R,并且把噪聲功率NO傳送到負(fù)載電阻R上,該噪聲源可用在溫度T下數(shù)e值為R的由噪聲電阻代替，其中T為等效噪聲溫度，它是根據(jù)使同樣的噪聲功率e傳遞到負(fù)載上來選擇的，等效噪聲溫度T可以用下式來表示：eT=NekB3.總結(jié)噪聲系數(shù)是低噪聲放大器至關(guān)重要的一部分，在電路某一特定點(diǎn)上的信號功率與噪聲功率之比，稱為信號噪聲比。噪聲系數(shù)的物理含義是信號通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞，信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。放大器的輸入匹配電路應(yīng)該按照噪聲最佳來進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)輸出匹配電路寸采用共軛匹配，以獲得放大器較高的功率增益和較好的輸出駐波比。參考文獻(xiàn)：PietroAndreani,HenrikSjoland.NoiseoptimizationofaninductivelydegeneratedCMOSlownoiseamplifier[J].IEEETrans.OnCircuitsandSystems,2001,48(9):835841.ThomasH.Lee.CMOS射頻集成電路設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002,220248.SeyedHosseinMiriLavasan