一种低噪声放大器的白噪声分析 低噪声放大器

　　摘要：本文以一种低噪声放大器为例，着重分析了电路的热噪声特性，结合理论分析计算了低噪声放大器的热噪声，利用HSPICE仿真软件对电路的热噪声进行仿真，与理论计算所得的热噪声比较。按照本设计采用的低噪声放大器的结构特点，对电路进行了优化，有效地减小了电路产生的热噪声。
　　关键词：低噪声放大器；热噪声
　　Abstract: A low-noise-amplifier is designed with low thermal noise, its thermal noiseis calculated theoretically and validated with HSPICE . This circuit is optimized effectively to decrease the thermal noise.
　　Key words: low-noise-amplifier；thermal noise
　　
　　噪声限制了一个电路能够正确处理的最小电平信号.由于噪声会严重影响电路的功耗、速度以及线性, 当代模拟电路设计者经常要解决噪声的问题.
　　本文主要分析各种噪声机制产生的白噪声以及计算这些噪声的方法，同时引入一种低噪声放大器的结构，并对该电路的各个功能模块的噪声进行计算，利用HSPICE仿真软件对计算结果进行验证，并提出了优化电路结构以减小噪声的方案。
　　
　　1 噪声源
　　
　　 1.1 冲击噪声[1]
　　冲击噪声又称为散弹噪声，它总是出现在二极管、MOS晶体管和双极型晶体管中。三极管中每个通过节点的载流子都可视为随机事件，所以，稳定的外部电流I事实上是由大量的随机独立的电流脉冲组成的。I的波动称为冲击噪声，如果电流I由一系列平均值为ID的随机独立脉冲组成，则产生的噪声电流的均方差值为
　　其中q是电子电荷（1.6×10-19C）,Δf为带宽，单位为Hz，ID由产生噪声的电路决定。
　　
　　 1.2 热噪声
　　热噪声由与冲击噪声完全不同的机制产生。在一般的电阻中，是由电子的随机热运动引起的，并不受直流电流的影响。导体中电子的随机运动尽管平均电流为零，但是它会引起导体两端电压的波动。因此，热噪声谱与绝对温度成正比。
　　 1.2.1 集成电路中元件的热噪声
　　 （1） 电阻的热噪声
　　如图1.1所示，电阻R上的热噪声可以用一个串联的电压源或并联的电流源来模拟，频谱密度的形式为
　　其中k是波尔兹曼常数，在室温下4kT=1.66×10-20VC
　　 （2）双极型晶体管的热噪声
　　 晶体管基极电阻rb是物理电阻所以产生热噪声。集电极串联电阻rc同样有热噪声，但是因为它与集电结串联，所以噪声可忽略掉，模型中通常不包含这个噪声。
　　 包括噪声的双极型晶体管完整的小信号等效电路图如图1.2。因为他们由独立分开的物理机制引起，所以噪声源互相独立，白噪声的均方值各为
　　 （3）MOS晶体管的热噪声[2]
　　MOS晶体管也有热噪声，最大的噪声源是在沟道中产生的。对于工作在饱和区的长沟道MOS器件的沟道噪声可以用一个连接在源漏两端的电流源来模拟，如图1.3，其频谱密度为
　　其中的系数γ对于长沟道晶体管可由推导得到，为2/3；而对于亚微米MOS晶体管，γ可能需要一个更大的值来代替。
　　
　　2低噪声放大器的功能及噪声计算
　　
　　 2.1 低噪声放大器的功能介绍
　　如图2.1所示，低噪声放大器（LNA）处于射频接收机的最前端。低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，在克服噪声的条件下为后级提供足够高的增益，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。本文中的低噪声放大器工作频率范围为76MHz至108MHz。
　　双极型放大器是低噪声放大器中最常见的选择。在射频范围内，MOS管的主要噪声源为沟道热噪声、栅感应噪声与栅分布电阻热噪声。由于MOS晶体管的沟道电阻产生比较大的热噪声，所以选择双极输入会得到一个相对好的噪声系数。低噪声双极型放大器，可提供极低的输入电压噪声密度和相对较高的输入电流噪声密度。本文主要研究双极型低噪声放大器的热噪声。
　　
　　 2.2 低噪声放大器的噪声计算
　　低噪声放大器主要放大部分如图2.2所示，VCCA和RFGND分别为2.5V的电源和0V的地。整个电路的增益主要靠第一级由Q3、Q4组成的共基输入放大器，射频信号RFI1和RFI2分别为Q3和Q4的射极输入。第二级为由Q5和Q6组成的射随驱动电路，Q3和Q4的在集电极的输出信号分别由Q5和Q6的基极输入，由OUT1和OUT2输出。射随器具有高输入电阻，低输出电阻和近似为单位1的电压增益，对增益基本没有贡献。下面主要以低噪声放大器电路的输入电阻和输出电阻来估算电路的热噪声。
　　 （1） 输入电阻及输入噪声
　　通过对电路仿真，可知流过输入端晶体管Q3、Q4的集电极电流为340μA。β0为晶体管小信号电流增益，本电路中β0值为187。
　　第一级共基放大结构中由RFI1和RFI2看进去的输入电阻为
　　其中，gm为晶体管小信号跨导，表达式为
　　rπ为晶体管小信号输入电阻，表达式为
　　将式（2.2）和式（2.3）代入式（2.1）中，得
　　则电路输入端在带宽为76MHz至108MHz之间的总热噪声电压为
　　即
　　 （2） 输出电阻及输出噪声
　　Rs为前一级的共基极放大器等效输出的电阻,由电路可知, Rs为1.9044 kΩ，根据式（2.8）可得
　　则电路输出端在带宽为76MHz至108MHz之间的总热噪声电压为
　　即
　　
　　3低噪声放大器热噪声的仿真分析
　　
　　3.1输入噪声仿真分析[4]
　　用HSPICE仿真软件对低噪声放大电路的噪声进行仿真，对电路进行交流小信号分析，同时进行噪声分析。由仿真结果可知，如图3.1，低噪声放大器的在频率为76MHz时的输入噪声谱密度的均方根值为1.3934，频率为108MHz时的输入噪声谱密度的均方根值1.3935。
　　在76MHz～108MHz带宽范围内，利用仿真得出频率为76MHz和频率为108MHz时的输入噪声谱密度均方根值，利用两个值求平均值可得出频带内的平均噪声谱密度均方根值，则计算得出频带内低噪声放大器的输入噪声为
　　 ×（108-76）×106=6.18×10-11V2（ 3.1）[5]
　　 viN =7.86μV rms （3.2）
　　所得到的输入噪声7.86μV rms与利用输入电阻估算的输入噪声6.36μV rms基本一致。
　　
　　 3.2 输出噪声仿真分析
　　如图3.1由仿真结果得，低噪声放大器在频率为76MHz时输入噪声谱密度的均方根值为2.486，频率为108MHz时输入噪声谱密度的均方根值为2.365。
　　可以计算得出频带内低噪声放大器的输出噪声为[6]
　　 ×（108-76）×106＝18.83×10-11V2（3.1）
　　 voN =13.72μV rms （3.2）[6]
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　所得到的输出噪声13.72μV rms与利用输出电阻估算出的输入噪声10.89uV rms基本一致。
　　由以上分析可以得出，计算得到的低噪声放大器的输入热噪声和输出热噪声基本上与仿真得到的结果一致，由于HSPICE测得的噪声中除了热噪声还包括闪烁噪声，散弹噪声等其他的噪声，所以计算的热噪声小于测得的总噪声值，基本符合电路特性。
　　
　　4 本设计中采用的降低热噪声方法
　　及电路设计的优化
　　
　　本设计中主要采用了共基极输入及射随器作为输出端的方法来降低热噪声。
　　低噪声放大器模块采用两级放大，第一级为共基极输入放大器，共基极有时用作低输入阻抗的电流放大器，低输入阻抗与输入的热噪声成正比，所以决定了电路的输入热噪声较小。除此之外双极型LNA共基极结构相对于共射极电路还具有三个优点：更为简单的输入匹配、更高的放大线性度和更大的逆向隔离[7]。
　　射随器具有近似的单位电压增益，跟随级的等价输入噪声电压不改变地传入到输入端，但是由于跟随级的输出是在射极输出的，而射极是低阻抗的，由射极的负载电阻产生的噪声相对于其他结构的输出热噪声明显减小。
　　通过对以上结构的热噪声特性的分析，对电路进行了优化设计。如果要进一步降低电路的热噪声，则需要采用增大晶体管β值以降低电路的输入、输出电阻的方法来优化电路，但此方法并不是减小热噪声的主要方法[8]。如在仿真中将晶体管的β值由187增大为300，则可以得出，电路的输入噪声为7.858 μV rms，输出噪声为13.65μV rms，输入噪声与输出噪声都有所减小，但变化的幅度很小。减小热噪声的主要方法可以通过在版图上增大晶体管的发射区面积来实现。比如，仿真中将两个输入管的发射区面积增加一倍，则可以得出电路的输入噪声减小为7.265 μV rms，输出噪声减小为10.45 μV rms，热噪声减小的幅度为7%。
　　5结论
　　
　　本设计基于Jazz Semiconductor 0.35μm双极工艺SPICE模型对一种低噪声放大器电路进行仿真。通过对本设计电路结构的理论估算和利用HSPICE仿真软件的仿真验证，可以看到共基极输入结构与射随的输出结构可以有效地降低电路的热噪声。本文采用的低噪声放大器的结构能够降低低噪声放大器的输入和输出热噪声，达到无线调频接收机中低噪声放大器的电路设计要求。
　　
　　参考文献
　　[1] 池保勇，余志平，石秉学 著《CMOS射频集成电路分析与设计》，清华大学出版社 2003。
　　[2]毕查德・拉扎维 著 《模拟CMOS集成电路设计》，西安交通大学出版社，2002。
　　[3] PAUL R.GRAY著《模拟集成电路的分析与设计》，高等教育出版社，2002。
　　[4]王勇著《放大器固有噪声分析》，2008。
　　[5]L. W. Couch. Digital and Analog Communication Systems. Fourth Ed. , New York:Macmillan Co. , 1993.
　　[6]S. M. Sze. Physics of Semiconductor Devices. Second Ed. , New York: Wiley, 1981.
　　[7]Y. Tsividis. Operation and Modeling of the MOS Transistor. Second Ed. , Boston:McGrawHill, 1999.
　　[8]A. A. Abidi. High-Frequency Noise Measurements on FETs with Small Dimensions. IEEE Tran. Electron Devices, vol.33, pp.1801-1805, Nov. 1986.
　　
　　作者简介
　　刘峻，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究。
　　卢剑，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究。
　　郭宇，高级工程师，研究方向：集成电路的设计与研究。
　　苏建华，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究。
　　李新，教授，硕士生导师，主要从事集成电路及微机电系统的教学与研究。
　　梁洁，北京美新华微电子技术有限公司技术总监。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文