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发表于 2011-4-17 07:04:33
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LNA-ESD CO-DESIGN FOR FULLY INTEGRATED CMOS WIRELESS RECEIVERS
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Contents
Abstract
List of Symbols and Abbreviations
1 Introduction 1
1.1 The Growth of the Wireless Communication Market . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Evolution to CMOS RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 CMOS, RF and ESD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Outline of this Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Low-Noise Amplifiers in CMOS Wireless Receivers 9
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Some Important RF Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Quality Factor of Reactive Elements and Series-Parallel Transformation . 9
2.2.2 SNR and Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Impedance Matching, Power Matching, Noise Matching . . . . . . . . . 12
2.2.4 Transducer Power Gain, Operating Power Gain and Available Power Gain 13
2.2.5 Intermodulation Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 The Deep Sub-Micron MOS Transistor at Radio Frequencies . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 MOS Model for Hand Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Linearity of the short-channel MOS transistor . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.3 Non-Quasi Static Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.4 Extended MOS Model for Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 The Origin of Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.1 Resistor Thermal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.2 Thermal Noise in MOS transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.2.1 Classical MOS Channel Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.2.2 Induced Gate Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.3 1/f Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.4 Shot Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5 The LNA in the Receiver Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.1 Cascading Non-Ideal Building Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.1.1 Noise in a Cascade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.1.2 IIV3 of a Cascade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.2 Wireless Receiver Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.3 LNA Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.3.1 Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.3.2 Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.3.3 Voltage Gain or Power Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.3.4 Intermodulation Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.3.5 Reverse Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.3.6 Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.3.7 Single-ended vs. Differential . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6 Topologies for Low-Noise Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6.1 The Inductively Degenerated Common Source LNA . . . . . . . . . . . 33
2.6.1.1 From Basic Common-Source Amplifier to Inductively Degenerated
Common-Source LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6.1.2 Power Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6.1.3 Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.6.1.4 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6.2 The Common-Gate LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6.2.1 Input Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6.2.2 Power Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6.2.3 Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6.2.4 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6.3 Shunt-Feedback Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.4 Image Reject LNA’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.5 Highly Linear Feedforward LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6.6 The Noise-Cancelling Wide-band LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.6.7 Current Reuse LNA with Interstage Resonance . . . . . . . . . . . . . . 52
2.6.8 Transformer Feedback LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 |
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