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CMOS蓝牙收发器中低噪声放大器的设计及高频噪声研究

黄煜梅  
【摘要】:对于CMOS无线收发器信机中的射频电路模块而言,低噪声是一个非常重要的性能指标。然而,无论是BSIM3噪声模型还是著名的van der Ziel模型都不能很好地模拟亚微米MOSFET中的高频噪声,因此,对亚微米器件的高频噪声进行建模是本文的一个重点内容。 本文首先从MOSFET热噪声的产生机制—载流子与热振动着的晶格原子或电离的杂质离子之间的随机碰撞出发,从微观的角度,分析了载流子速率大小与方向的随机变化所产生的噪声、射率的范围内载流子的速率波动所产生的噪声与Nyquist热噪声之间的关系。 然后,基于亚微米MOSFET高频噪声的起源及短沟道效应,详细研究了漏极电流噪声与栅感应噪声,进行了定量的公式推导,给出了完整的高频噪声模型;还分析了器件的工作状态、尺寸大小以及外加偏置电压与其噪声性能之间的关系,从噪声优化的角度对电路设计给予指导;利用线性网络噪声分析原理将一个复杂电路系统(低噪声放大器)的噪声分析转化成多个表示噪声的相关矩阵间的矩阵运算,并借助MATLAB,分析了高频寄生效应、工作偏压等因素对系统噪声性能的影响。 本文另一个工作重点是设计集成于蓝牙收发器信机芯片中的射频低噪声放大器。通过控制偏置电路所产生的偏置电压与电流,实现低噪声放大器的增益可控;为满足实用性的需要,考虑了封装及静电保护电路(ESD),从噪声优化、阻抗匹配、增益及线性度的角度讨论了电路的设计方法,重点分析了寄生参数对电路性能的恶化;在电路实现及版图设计方面,采取相应的措施尽量减小高频寄生效应:此外,还研究了电路性能测试方案及测试电路板的设计原理。对基于TSMC 0.35-μm CMOS数字工艺流片的芯片进行了测试,正向电压增益、阻抗匹配与设计指标相近,噪声系数偏大一些,输出中心频率因寄生参数等因素的影响低于设计值。 本文的最后一章对所做工作进行了总结,并对今后的工作提出了自己的看法和建议。


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