基于SiGe BiCMOS工艺的低噪声放大器设计

作     者：黄宇欣 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高海军

授予年度：2024年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：射频前端 低噪声放大器 SiGe BiCMOS 宽频带 变压器 

摘      要：近年来,随着通信技术的迅速发展,无线通信在现代社会扮演着日益关键的角色。作为射频前端电路的核心组成部分,低噪声放大器（Low Noise Amplifier,LNA）的地位变得愈发凸显,其性能水平对系统的灵敏度、传输距离以及抗干扰能力等具有直接影响。SiGe BiCMOS工艺具有优异的射频性能和低噪声特性,还具有较好的集成度。因此,论文对基于SiGe BiCMOS工艺的低噪声放大器展开研究,旨在设计性能优良的低噪声放大器,并通过仿真评估其性能表现。 论文首先理论分析了LNA的原理、结构和关键性能参数,包括噪声系数、增益、带宽、线性度、稳定性以及功耗等。之后,基于SiGe BiCMOS工艺,设计了频率分别覆盖13-15GHz和21-23GHz的两款窄带低噪声放大器。为了抑制共模噪声,LNA采用了差分结构;并在输入端利用变压器将单端信号转换成差分信号,同时实现阻抗匹配,确保输入信号有效传输到放大电路。放大电路采用单级共射共基（Cascode）结构,其可提供良好的增益和低的噪声系数。在输出端,论文采用差分负载电感和电容组成匹配网络,确保信号有效传输到负载。版图EM仿真结果显示,对于13-15GHz频段:噪声系数15dB,增益平坦度8dBm,稳定系数K2,功耗为25m W。对于21-23GHz频段:噪声系数15dB,增益平坦度7dBm,稳定系数K1,功耗为15.9m W。 此外,为了应对宽频带无线通信对宽频带射频前端尤其是宽频带LNA设计提出的挑战,论文采用最新的宽频带技术,设计了频率覆盖45-75GHz的宽带低噪声放大器。与传统的降噪结构相比,本设计基于三耦合变压器技术,实现了降噪与宽带匹配的双重功能。版图的EM仿真结果表明:在45-75GHz的3dB带宽内,可实现22.42dB的峰值增益、3.6dB最小噪声系数和0dBm附近的输出1dB压缩点;在3dB带宽内,S115,直流功耗为19m W。最后,论文采用两级Cascode结构设计了17-42GHz LNA:在设计频带内,噪声系数14dB,增益平坦度5,功耗为7.6m W。这些设计有望提升无线通信系统的性能,增强系统的灵敏度和传输距离,同时降低整个系统的噪声水平。