曹恆偉臺灣大學：電子工程學研究所黃乾宗Huang, Chien-TsungChien-TsungHuang2007-11-272018-07-102007-11-272018-07-102007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/57559本論文實作上是以TSMC 0.18μm CMOS製程來製作出應用於數位電視地面廣播系統的寬頻低雜訊放大器與可調增益放大器。在寬頻低雜訊放大器方面，設計頻寬為460MHz~870MHz，所使用的技巧為電阻負迴授技巧，放大器共分為兩級，第一級為電流重複利用方式增加增益，減少功率消耗，並達到良好的輸入阻抗匹配。第二級為電阻負迴授方式來增加整體放大器增益以及提供寬頻特性，並利用PMOS電晶體在線性區操作下提供輸出阻抗匹配。此電路經過量測後在頻帶內增益為21.5dB~21.8dB，變化僅有0.3dB。S11<-12.7dB，S22<-12dB，雜訊指數在頻帶內為3dB~4.7dB，IIP3在頻帶內為-5dBm~-5.6dBm。 在可調增益放大器方面，設計頻寬為50MHz~860MHz，架構為差動輸入，差動輸出，放大器共分兩級。第一級採用電阻負迴授方式增加頻寬，並使用電流重複利用架構來增加增益，以及減低功率消耗，而可變增益機制也在第一級上建構，是以負迴授電阻的改變來改變增益值。第二級採用共汲極組態作為輸出緩衝級，提供穩定的輸出阻抗匹配，並以其電流源與第一級配合達到Noise Canceling效果。量測方面在頻帶內增益變化為-6dB~14dB，增益精準度為1dB。S11<-8dB，S22<-8.5dB，雜訊指數在最高增益14dB時為6.5dB~8.5dB。IIP3在最高增益14dB時為-8dBm，在最低增益-6dB時為8dBm。This thesis is focused on a wideband low noise amplifier and a programmable gain amplifier for DVB-T fabricated with TSMC 0.18μm CMOS process. The wideband low noise amplifier is designed by the resistor feedback technique. It is divided into two stages. The first stage is designed by current-reuse topology to improve gain and to reduce power consumption. There is good input matching in the first step by choosing an appropriate resistor of the feedback resistors. The second stage is designed to increase the whole amplifier gain. It is also designed by the resistor feedback method to improve bandwidth performance. It uses a PMOS device which operates in linear region to provide a good output impedance matching. According to the measurement results, the amplifier gain is 21.5dB to 21.8dB. It simply varies 0.3dB in the bandwidth. S11 is smaller than -12.7dB. S22 is smaller than -12dB. NF is 3dB~4.7dB. And IIP3 is -5dBm~-5.6dBm in the bandwidth. The operating frequency of the programmable gain amplifier is 50MHz to 860MHz. The structure of the amplifier is differential. And it is divided into two stages. The first stage is designed by current-reuse topology to improve gain and to reduce power consumption. It is also designed by the resistor feedback technique to improve bandwidth. By changing feedback resistors, it can change gain value. The topology of the output buffer is common drain. And it provides a good output impedance matching at the second stage. And using the current source of the second stage and the amplifier of the first stage achieves the thermal noise canceling result. Based on the measured results, the gain is -6dB to 14dB with 1dB gain step. S11 is smaller than -8dB. S22 is smaller than -8.5dB. NF is 6.5dB~8.5dB when the gain is 14dB. IIP3 is -8dBm when the gain is 14dB and IIP3 is 8dBm when the gain is -6dB.目 錄 摘要 I Abstract III 目錄 V 圖目錄 IX 表目錄 XV 第一章 概論 1 1.1 研究動機 1 1.2 論文簡介 2 第二章 放大器概論 5 2.1 放大器設計 5 2.1.1 散射參數 6 2.1.2 穩定度 8 2.1.3 線性度 9 2.2 雜訊分析 14 2.2.1 雜訊型式 15 2.2.2 MOS場效電晶體雜訊 18 2.2.3 雙埠網路雜訊 21 2.3 放大器增進頻寬技巧與介紹 24 2.3.1負迴授式 25 2.3.2主動匹配式 27 2.3.3分散式 29 2.3.4平衡式 31 2.3.5頻率調諧式 32 2.3.6寬頻放大器比較 33 第三章 數位電視地面廣播系統頻帶之離散式放大器 35 3.1 460MHz-870MHz離散式放大器 35 3.2 460MHz-870MHz外接濾波器 37 3.3 460MHz-870MHz離散式放大器的佈局 38 3.4 460MHz-870MHz離散式放大器的模擬結果 39 3.5 460MHz-870MHz離散式放大器的量測結果 40 第四章 數位電視地面廣播系統 之CMOS寬頻低雜訊放大器 47 4.1 CMOS寬頻低雜訊放大器設計 47 4.2 CMOS寬頻低雜訊放大器的佈局 51 4.3 CMOS寬頻低雜訊放大器的模擬結果 52 4.3.1 製程溫度偏移模擬 53 4.3.2 供應電壓偏移模擬 55 4.4 CMOS寬頻低雜訊放大器的量測結果 56 第五章 數位電視地面廣播系統 之可調增益放大器 65 5.1 CMOS可調增益放大器設計 65 5.1.1 可調增益放大器 66 5.1.2 解碼器 71 5.2 CMOS可調增益放大器的佈局 74 5.3 CMOS可調增益放大器的模擬結果 75 5.3.1 製程溫度偏移模擬 75 5.3.2 蒙地卡羅模擬 80 5.4 CMOS可調增益放大器的量測結果 82 第六章 結論 89 6.1 結論 89 6.2 未來展望 90 參考文獻 91 圖 目 錄 第二章 圖2.1.1 放大器設計取捨情形 5 圖2.1.2 雙埠網路中的入射波和反射波 6 圖2.1.3 雙埠網路 8 圖2.1.4 非線性系統下的交互調變 11 圖2.1.5 交互調變影響所需頻帶 11 圖2.1.6 1dB增益壓縮點示意圖 12 圖2.1.7 三階截斷點(IP3)示意圖 14 圖2.2.1 電阻上的雜訊電壓來源 15 圖2.2.2 串聯與並聯的電阻熱雜訊模型 16 圖2.2.3 散粒雜訊在二極體的模型圖 17 圖2.2.4 MOS電晶體的閃爍雜訊模型與功率密度 18 圖2.2.5 感應閘極雜訊電流示意圖及其等效雜訊電流源 20 圖2.2.6 放大器的雜訊模型 21 圖2.2.7 兩級放大器的雜訊指數模型 23 圖2.3.1 負迴授放大器 25 圖2.3.2 串疊負迴授放大器 25 圖2.3.3 雙負迴授放大器 26 圖2.3.4 雜訊相消示意圖 26 圖2.3.5 主動匹配放大器 28 圖2.3.6 主動匹配與負迴授放大器 28 圖2.3.7 傳統分散式放大器 29 圖2.3.8 串接分散式放大器 30 圖2.3.9 串疊分散式放大器 30 圖2.3.10 雙級串疊串接分散式放大器 31 圖2.3.11 平衡式放大器 31 圖2.3.12 頻率調諧放大器 32 第三章 圖3.1.1 460MHz~870MHz離散式放大器架構 35 圖3.2.1 Inverse Chebyshev帶通濾波器 37 圖3.2.2 帶通濾波器增益損耗圖 38 圖3.3.1 PCB佈局圖 39 圖3.4.1 S11的模擬圖 39 圖3.4.2 S22的模擬圖 39 圖3.4.3 S21的模擬圖 40 圖3.4.4 S12的模擬圖 40 圖3.5.1 S11的量測圖 40 圖3.5.2 S22的量測圖 41 圖3.5.3 S21的量測圖 41 圖3.5.4 S12的量測圖 42 圖3.5.5 NF的量測結果圖 42 圖3.5.6 IIP3在460MHz的量測圖 43 圖3.5.7 IIP3在650MHz的量測圖 44 圖3.5.8 IIP3在870MHz的量測圖 44 圖3.5.9 頻帶內的IIP3量測圖 45 圖3.5.10 P1dB (input) 的量測圖 45 第四章 圖4.1.1 CMOS寬頻低雜訊放大器架構圖 47 圖4.1.2 低雜訊放大器 48 圖4.1.3 第一級放大器 49 圖4.1.4 第二級放大器 50 圖4.2.1 電路佈局平面圖 51 圖4.3.1 模擬環境考量圖 52 圖4.3.2 S11的模擬圖 53 圖4.3.3 S22的模擬圖 53 圖4.3.4 S21的模擬圖 53 圖4.3.5 S12的模擬圖 53 圖4.3.6 Mu1的模擬圖 54 圖4.3.7 MuPrime1的模擬圖 54 圖4.3.8 P1dB(input) 的模擬圖 54 圖4.3.9 Noise Figure的模擬圖 55 圖4.3.10 IIP3的模擬圖 55 圖4.3.11 不同VDD變化下的IIP3模擬圖 56 圖4.4.1 晶片顯微照相圖 56 圖4.4.2 S11的量測圖 57 圖4.4.3 S22的量測圖 57 圖4.4.4 S21的量測圖 58 圖4.4.5 S12的量測圖 58 圖4.4.6 NF的量測圖 59 圖4.4.7 IIP3在460MHz的量測圖 60 圖4.4.8 IIP3在650MHz的量測圖 60 圖4.4.9 IIP3在870MHz的量測圖 61 圖4.4.10 頻帶內的IIP3量測圖 61 圖4.4.11 P1dB (input) 的量測圖 62 第五章 圖5.1.1 可調增益放大器架構 65 圖5.1.2 可調增益放大器 66 圖5.1.3 第一級放大器 67 圖5.1.4 可變增益架構圖 68 圖5.1.5 輸出緩衝級 69 圖5.1.6 Noise Canceling原理圖 69 圖5.1.7 此電路的Noise Canceling架構圖 70 圖5.1.8 此電路的Noise Canceling模擬圖 70 圖5.1.9 控制增益的電阻陣列和Switch 71 圖5.1.10 5-to-32解碼器控制增益圖 72 圖5.1.11 解碼器架構圖 72 圖5.2.1 電路佈局平面圖 74 圖5.3.1 TT時S21的模擬圖 75 圖5.3.2 TT時NF的模擬圖 75 圖5.3.3 TT時S11的模擬圖 76 圖5.3.4 TT時S22的模擬圖 76 圖5.3.5 TT時Mu1的模擬圖 76 圖5.3.6 TT時MuPrime1的模擬圖 76 圖5.3.7 FF時S21的模擬圖 77 圖5.3.8 FF時NF的模擬圖 77 圖5.3.9 FF時S11的模擬圖 77 圖5.3.10 FF時S22的模擬圖 77 圖5.3.11 FF時Mu1的模擬圖 78 圖5.3.12 FF時MuPrime1的模擬圖 78 圖5.3.13 SS時S21的模擬圖 78 圖5.3.14 SS時NF的模擬圖 78 圖5.3.15 SS時S11的模擬圖 79 圖5.3.16 SS時S22的模擬圖 79 圖5.3.17 SS時Mu1的模擬圖 79 圖5.3.18 SS時MuPrime1的模擬 79 圖5.3.19 TT27中的電阻變異模擬 80 圖5.3.20 FF0中的電阻變異模擬 81 圖5.3.21 SS75中的電阻變異模擬 81 圖5.4. 1 晶片顯微照相圖 82 圖5.4.2 S21的量測圖 83 圖5.4.3 S11的量測圖 83 圖5.4.4 S22的量測圖 84 圖5.4.5 NF的量測圖 84 圖5.4.6 IIP3在最大增益值時的量測圖 85 圖5.4.7 IIP3在最小增益值時的量測圖 85 圖5.4.8 P1dB在最大增益值時的的量測圖 86 圖5.4.9 P1dB在最小增益值時的的量測圖 862912141 bytesapplication/pdfen-US寬頻低雜訊放大器可調增益放大器數位電視地面廣播系統熱雜訊消除技術Wideband Low Noise AmplifierProgrammable Gain AmplifierDVB-TThermal Noise Canceling Techniquethesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/57559/1/ntu-96-R94943113-1.pdf