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宽带无线通信系统因为具有高速数据传输率等优势在卫星通信、车载通信、以及其他短距离传输领域(比如无线局域网、无线个人局域网通讯技术)具有广阔应用前景。超宽带低噪声放大器作为无线通信接收前端的第一个有源电路,必须在很宽的频带内放大接收到的小信号,并以高信噪比输出。此外,LNA还必须在需要的宽带内反射最少的接收信号,具有高增益和增益平坦性,这给超宽带LNA的设计提出了新的挑战。SiGe工艺异质结双极晶体管具有高截止频率、低噪声特性,同时SiGe工艺可以与高集成度的CMOS工艺兼容,芯片成品率高,成本低,因此在高性能电路中应用越来越广泛。本课题即采用Jazz 0.18?m BiCMOS工艺中的SiGe HBT(特征频率达到200GHz)进行超宽带LNA的研究与设计。本文介绍了低噪声放大器的理论基础,包括器件噪声源和噪声模型的基本知识、电路中噪声的表示方法以及射频电路设计师与微波工程师的沟通桥梁-Smith圆图工具和散射参量。超宽带LNA设计的难点在于“超宽带”,本文通过查阅大量文献研究了低噪声放大器的宽带匹配、宽带低噪声、宽带增益等技术。为了提高LNA增益,本课题最终采用两级结构。第一级使用共射极结构实现低频增益,并采用四阶带通滤波网络实现宽带阻抗匹配。第二级采用并联补偿放大器引入零点实现高频增益,达到扩展带宽及增益平坦度的目的。两级LNA的线性度较差,为此作者研究了LNA偏置方式对其线性度的影响,理论分析和电路仿真均表明电感偏置方式可以有效提高LNA的线性度。考虑到LNA的可测试性,作者对输出匹配电路、静电保护电路进行了研究。设计时作者不仅理论分析了此结构的增益、噪声、匹配和线性度特性,并利用cadence平台的spectre仿真工具进行电路仿真调试。最后介绍了版图设计及其优化方法,并使用virtuoso完成版图绘制,进行DRC、LVS等检查,然后提取版图寄生参数,利用calibre仿真工具进行版图验证。考虑到芯片面积问题,而且项目指标对LNA线性度要求并不严苛,本课题最后采用线性度差一些的电阻偏置。经过版图和电路原理图的反复优化设计,使用calibre后仿工具得到了性能指标良好的后仿真结果:5.5GHz-19GHz频带内,增益21.3dB<S21<23.4dB,噪声系数NF<4dB,输入匹配S11<-10dB,输出匹配S22<-13dB,输入1dB压缩点P1dB=-28.7dBm@12GHz,反向增益S12<-53dB。仿真结果表明本文设计的两级LNA虽然线性度差一些,但是具有20mW低功率消耗、高增益、低噪声、输入、输出匹配良好等优点,达到设计指标。