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1、 本科生毕业设计论文高增益低噪声放大器（LNA）的设计院 系 专业班级 姓 名 学 号 指导教师 2017年1月13日华 中 科 技 大 学 IC课程设 计（论 文）学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 2017 年 1 月 13 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅
2、。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 2017 年 1 月 13 日导师签名： 2017 年 1 月 13 日 摘 要低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）作为整个射频接收系统第一级，直接影响着整个系统的性能。它的主要功能就是将从天线接收到的微弱信号进行放大，同时将其输出给后级的混频器，在这个过程中LNA引入信号中的噪声非常低，对信号进行初步的降噪处理，如果信号在
3、通过LNA时引入的噪声较大或者没有将信号放大，那么其后的射频模块将无法对有用信号进行处理。所以应用中的低噪声放大器必须具有最佳的噪声系数（NF），具有良好的线性度且对信号有一定的放大功能。基于以上的研究背景，本文设计了一款高增益宽带低噪声放大器，详细的介绍了它的设计过程。文章首先对宽带低噪声放大器进行了简单介绍，包括它的研究背景及国内外发展现状，接着介绍了在设计低噪声放大器中我们要注意的几个主要的参数，包括噪声、功率增益、输入匹配、线性度和S参数。最后详细的介绍了我们的电路设计过程，包括一级和二级电路的选择以及其中一些工艺参数的设计，并给出了仿真结果，供大家分析和讨论。 电路实现采用了TSMC
4、 0.18m CMOS工艺，设计了一个200M2GHz的高增益宽带低噪声放大器（LNA），根据题目要求，最终可以实现在工作电压为1.8V，工作电流小于16mA的条件下，噪声系数小于等于3.5Db,功率增益为15dB到20dB，IIP3大于-15dBm,单端输入阻抗达到50，基本上满足了题目的要求。关键词：宽带 低噪声放大器 噪声系数 功率增益AbstractLow-noise amplifier (LNA), as the first stage of the RF receiving system, directly affects the performance of the whole
5、system. Its main function is to receive from the antenna to the weak signal amplification, while its output to the mixer after the class. In this process, the noise in the LNA-introduced signal is very low and the signal is subjected to a preliminary noise reduction process. If the noise introduced
6、by the LNA is large or the signal is not amplified, the subsequent RF module will not be able to detect the useful signal . Therefore, the application of low noise amplifier must have the best noise figure (NF), with good linearity and the signal has a certain amplification. Based on the above resea
7、rch background, this paper designs a high-gain broadband low-noise amplifier, and introduces its design process in detail. In this paper, we briefly introduce the broadband low noise amplifier, including its background and development at home and abroad. Then we introduce several main parameters in
8、the design of low noise amplifier, including noise, power gain, input matching , Linearity and S-parameters. Finally, the circuit design process is introduced in detail, including the choice of primary and secondary circuits and the design of some of the process parameters, and gives the simulation
9、results for analysis and discussion.A 200MHz 2GHz high gain wideband low noise amplifier (LNA) is designed by TSMC 0.18 CMOS technology. According to the requirements, the noise figure can be achieved under the condition of 1.8V and 16mA working current. Less than or equal to 3.5Db, power gain of 15
10、dB to 20dB, IIP3 greater than-15dBm, single-ended input impedance of 50, basically meet the requirements of the subject.Keywords: wide band Low noise amplifier NF gain目录摘 要3关键词：3Abstract4Keywords: 4第一章 绪论61.1 课题背景及意义61.1.1 低噪声放大器的重要性61.1.2 宽带高增益低噪声放大器的意义61.2 国内外研究现状及发展趋势81.3 论文主要工作9第二章 LNA的主要性能指标112
11、.1 增益112.2噪声122.3 动态范围和线性度152.4输入阻抗匹配17第三章 LNA电路设计183.1输入级的设计193.1.1输入阻抗匹配分析193.1.2噪声分析213.2输出级的设计24第四章 结论26致谢31参考文献32附录33第一章 绪论1.1 课题背景及意义1.1.1 低噪声放大器的重要性低噪声放大器是射频接受前端的主要组成部分，它位于接受前段的第一级，直接与天线信号相连。由于其位于接受前段第一级，所以低噪声放大器在提供一定增益，对信号进行放大的同时，需要尽可能避免引入噪声，还需要具有很好的线性度。现代无线接收机要求具有非常灵敏的电路，接收机的动态范围和灵敏度很大程度上都取
12、决于低噪声放大器的噪声性能和线性度。如低噪声放大器噪声系数增大0.5dB，就可能对整个接收机的链路产生很大的影响。下图是射频接收机的简单的结构示意图，天线接收到的信号通过滤波器后LNA 放大，再被混频器转换到基带，解调完成后，信号输入到模拟数字信号转换器，将模拟信号转换为数字信号，最后数字信号输入到数字信号处理器中。从图中可见，信号的第一级放大由 LNA完成，因此，LNA的特性决定整个接收机的性能，它对提高信息传输质量、改善接收机的噪声、增大传输距离和改善接收机的灵敏度都有着重要的作用。图1-1：射频接收机的简单结构图1.1.2 宽带高增益低噪声放大器的意义随着光纤通信、移动通信、卫星通信、电
13、子对抗、微波测量仪器、各种无线局域网等领域向着低成本、小型化、宽频带、低噪声、更高的工作频段等方向发展，对各自的射频收发模块提出了各种新的要求。其中高频、宽带宽通讯是一个重要的发展方向。首先，电子侦察是未来信息战的序幕和先导，并贯穿于信息战的全过程。随着电子对抗技术的不断发展，用于现代电子战中的电子设备如跳频通信、宽带干扰机的频带越来越宽，这就迫切要求研制出宽频带电子侦察接收机，以满足未来战争中电子对抗之需要。其次，随着计算机网络和全球移动通信的发展，包括笔记本电脑、PDA、计算机外设、移动电话和家用电子产品等便携的数字处理设备已经成为人们日常生活和办公的必需品。以前这些设备大多依赖电缆连接，
14、使用不便。实现设备之间可移动、自动互联的无线个人网络技术WPAN呼之欲出。为此IEEE802.15.3标准应运而生，并已将3.15GHz和610.6GHz频段作为WPAN的工作频段，特别是3.15GHz是现阶段发展的热点。再次，用于卫星通信、电视转播、数据与图像传输领域的现有射频接收机的性能已经远远不能满足用户高数据量、宽频带的需求，技术升级势在必行。另外，随着数码时代的逐步推进，一机多用将为人们带来极大的便利。比如，要求移动通信设备不仅能接收不同系统不同频段的信号，而且还能接入到蓝牙、WLAN或WPAN系统。用传统的多个窄带射频收发机并联的方式固然可以实现上述应用，但也使成本线性增长。而宽带
15、射频单元却可以在不增加芯片面积和功耗的前提下，实现较宽频段内的信号全接收，具有极高的性价比。可见，宽带通讯确实是当今无线通讯技术的一个重要发展方向。而低噪声放大器(LNA)作为射频接收机的第一级，其性能的好坏直接影响了整个接收系统的性能。所以，对宽带LNA的研究得到了越来越广泛的重视。1.2 国内外研究现状及发展趋势关于高增益宽频低噪声放大器（LNA），国内外做了大量研究。随着CMOS工艺水平的不断提高，设计方法的不断进步，CMOS射频低噪声放大器的性能越来越高。当然，现代无线通信系统对LNA的要求也越来越高，这必然也推动着人们不断去研究探索出新的性能更完善的LNA 。国外在CMOS射频集成电路方面己经取得了很大的突破。很多知名的公司、大学和研究所已经用CMOS工艺实现了低噪声放大器、压控振荡器、混频器甚至是整个收发器。进行RFIC前端单片LNA研制的国外公司主要有: Sirenza、M/A COM、 SiGe 、 Minicircuit和 Aglient等。国外一些公司如Maxim已经推出了应用十802.11
