《射頻微波芯片設(shè)計》專欄適用于具備一定微波基礎(chǔ)知識的高校學(xué)生、在職射頻工程師、高校研究所研究人員，通過本系列文章掌握射頻到毫米波的芯片設(shè)計流程，設(shè)計方法，設(shè)計要點以及最新的射頻/毫米波前端芯片工程實現(xiàn)技術(shù)。

本文共計六部分

1.前 言——討論為啥要做低噪放

2.基本概念——認(rèn)識什么是低噪放

3.通識技術(shù)——討論常見的設(shè)計方法

4.流行技術(shù)——淺析低噪放常見的研究動態(tài)

5.工程技術(shù)——演示基于仿真工具演示綜合方法

6.結(jié) 束 語——工程文件使用小結(jié)以及全文小結(jié)

（全文閱讀大概需15分鐘，如果您能靜下心來用電腦閱讀30分鐘以上，且能參考本文去設(shè)計低噪聲放大器了，這將是我逐字地碼這篇文章最大的榮幸。不求傾蓋如故，但求一起進(jìn)步）

——————————————————

前言

低噪聲放大器（Low Noise Amplifier, LNA）通常用于無線電子系統(tǒng)的接收機(jī)前端之中，如我們在之前的推文《1.3萬字詳解射頻微波芯片設(shè)計基礎(chǔ)知識》中，我們詳細(xì)討論了射頻發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的常見架構(gòu)，在接收機(jī)系統(tǒng)中，低噪聲放大器常常為處于天線之后的第一個元器件，其性能優(yōu)劣直接決定著接收機(jī)系統(tǒng)整體的噪聲系數(shù)、靈敏度指標(biāo)的好壞。

我們翻開本土射頻IC領(lǐng)域的排頭兵企業(yè)的發(fā)展歷程，不難發(fā)現(xiàn)，低噪聲放大器成為了諸多RFIC/MMIC企業(yè)成功的奠基石，如某勝微，某為電子在射頻領(lǐng)域有著多款可以與國外大廠扳手腕的LNA產(chǎn)品，當(dāng)然最近科創(chuàng)板許多上市的射頻微波公司也有不少低噪放的芯片作為其核心產(chǎn)品。

言歸正傳，對于我們設(shè)計開發(fā)人員而言，一款性能優(yōu)異、工作穩(wěn)定的低噪聲放大器芯片又該怎么去設(shè)計呢？當(dāng)拿到一個設(shè)計任務(wù)，面對設(shè)計流程和設(shè)計方法不熟悉的我們，是不是有種剪不斷理還亂的感覺：

或者，當(dāng)我們參考現(xiàn)有的教材、論文以及各種論壇里面的設(shè)計流程，利用EDA工具一頓操作猛如虎，完成了一次又次Beautiful的指標(biāo)仿真驗證，然后經(jīng)過數(shù)月漫長的流片等待，終于有一天心心念念的片子回來了，我們滿懷期待地走上了探針臺，準(zhǔn)備測試，但是當(dāng)測試時的我們，看著第一次做的片子很可能是這樣的：

絕望的你是不是拍著大腿不由感嘆著“一頓仿真猛如虎，一看測試成了土”，似乎完成一款性能良好，工作穩(wěn)定的低噪聲放大器芯片設(shè)計，成了入門RFIC/MMIC領(lǐng)域不得不面對的一座不太容易逾越的大山。

針對上述兩大問題，本文的主要目的有：

（1）夯實基礎(chǔ)——給工作繁忙的一線從業(yè)人員，溫故常見的LNA基礎(chǔ)知識，設(shè)計流程，設(shè)計思路；

（2）梳理流程——給入門的萌新們梳理LNA設(shè)計方法和具體步驟，提供基于ADS仿真設(shè)計LNA芯片的工程文件，拋磚引玉，給想從事RFIC/MMIC行業(yè)的朋友們提供一個學(xué)習(xí)參考；

（3）總結(jié)經(jīng)驗——介紹最新的低噪聲放大器的研究動態(tài)和常用的工程實現(xiàn)手段，通過具體案例講解，給從業(yè)人員展示了一些LNA性能不斷提升的通道；

全文主要按照如下行文組成：

（1）前言部分，筆者總結(jié)了常見的LNA基礎(chǔ)知識和基本概念；

（2）基本概念部分，這小節(jié)主要討論LNA的概念，性能指標(biāo)，以及常見的設(shè)計流程；

（3）通識技術(shù)部分，主要講解分析LNA設(shè)計中所需要用到的匹配技術(shù)，常見架構(gòu)，等增益圓，等噪聲圓，穩(wěn)定性判別圓；

（4）流行技術(shù)部分，主要根據(jù)目前最新的論文、專利，總結(jié)了LNA的研究動態(tài)和技術(shù)手段；

（5）工程技術(shù)部分，為了方便大家快速學(xué)習(xí)LNA的設(shè)計方法，本文基于0.15 μm GaAs pHMET工藝（官網(wǎng)可公開下載的PDK）來講解片上低噪聲放大器芯片的設(shè)計思路，設(shè)計流程，以及工程實現(xiàn)的方法。最后，分享了本次基于ADS仿真軟件的LNA工程文件以及相關(guān)使用說明（文末掃碼識圖加小編好友，可獲得下載權(quán)限，當(dāng)然小編也會咨詢大家意見，將大家拉入學(xué)習(xí)討論群）。

基本概念

本小節(jié)主要給大家溫故一些低噪聲放大器的基礎(chǔ)知識，包括放大器的定義，常見的衡量指標(biāo)（比如穩(wěn)定因子，增益，噪聲系數(shù)，功耗，面積等等），希望大家可以快速掌握“什么是低噪聲放大器”的問題。

低噪聲放大器定義：

低噪聲放大器，往往被用于接收機(jī)系統(tǒng)的第一級，根據(jù)之前的博文里面的接收機(jī)靈敏度理論計算公式，可以得出這樣一個結(jié)論：接收機(jī)的靈敏度好壞，主要取決于第一級低噪聲放大器的噪聲系數(shù)的高低。

那么什么是低噪放呢？

顧名思義，當(dāng)我們咬文嚼字時不難發(fā)現(xiàn)低噪聲放大器首先是一個放大器，而放大器是一種將微弱信號進(jìn)行一定倍數(shù)放大的器件，然后這個放大器主要考慮的是當(dāng)放大信號的時候，盡可能小地引入噪聲。

低噪聲放大器主要指標(biāo)：

（1）噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)主要是衡量低噪聲放大器引入噪聲大小的一個指標(biāo)，如果我們對LNA電路里產(chǎn)生的噪聲來源不清楚，可以按照黑盒子定義法，把其直接定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值：

為了在實際工程中表示方便，我們通常采用dB值來表示噪聲，即對上面的噪聲F取一個對數(shù)

當(dāng)然，如果讀者朋友們?nèi)绻胍钊胩接懴略肼暤膩碓矗梢詤⒖次覀兩掀诘膬?nèi)容《射頻電路中的噪聲概論》。接下來我們省去中間推導(dǎo)過程（感興趣的朋友可以參看之前推薦的經(jīng)典教材），直接給出單級放大器的噪聲系數(shù)的求解公式值如下：

其中，NFmin是放大管的最小噪聲系數(shù)（需要注意的是，NFmin能否調(diào)節(jié)也是射頻板級工程師和射頻芯片工程師的主要工作區(qū)別之一，射頻芯片工程師需要根據(jù)項目背景需要調(diào)節(jié)管子的寬長比，以獲得滿足要求的噪聲、功耗以及線性度等指標(biāo)，而板級射頻工程師一般在選定器件后是不太容易對NFmin進(jìn)行調(diào)節(jié)的，這幾個基本上就是我們后續(xù)匹配到最佳噪聲系數(shù)（即NFmin）時對應(yīng)的最佳源反射系數(shù)、管子輸入端的源反射系數(shù)以及管子的等效噪聲電阻。

當(dāng)然，在設(shè)計低噪聲放大器時，我們時常需要有較高的增益，此時大多需要用過多級級聯(lián)來實現(xiàn)，那么噪聲的級聯(lián)公式如下：

由上面的式子可以看出，由于放大器增益的緣故，整個放大電路的噪聲貢獻(xiàn)主要來源于第一級放大器，因此第一級放大器需要有較好的噪聲系數(shù)和增益。

（2）放大器的增益

如上圖所示，我們把放大器晶體管（場效應(yīng)管）等效為一個S參數(shù)矩陣，然后繪制出其信號流圖，然后為了概述簡潔，以及避免大家被繞暈，本文對其具體的推導(dǎo)過程不在詳細(xì)展開，這里主要給出幾個增益表達(dá)式并給出簡單的解釋：

信號源的資用功率：輸入阻抗與信號源的內(nèi)阻符合共軛匹配條件，即進(jìn)入晶體管網(wǎng)絡(luò)的功率達(dá)到最大，此時我們可以把輸入口叫做信號源的只用功率（單獨拎出來的原因，主要是因為我們后續(xù)定義放大器相關(guān)增益的概念要用到）：

轉(zhuǎn)換功率增益：我們把傳輸?shù)截?fù)載的功率與信號源的資用功率之比叫做轉(zhuǎn)換功率增益。怎么理解呢？其實就類似于當(dāng)我們出生一樣，都是命運給予了最好的恩賜（放大網(wǎng)絡(luò)得到了信號源的資用功率），至于最終有沒有悟道，有沒有得到自己想要的目標(biāo)，就看個人的修行了，當(dāng)生命來到終點時，回顧自己走過的人生，得到的與出生時擁有的比值就是我們的轉(zhuǎn)換功率增益了。根據(jù)定義以及上圖的信號流圖，我們可以得到如下的轉(zhuǎn)換功率增益的表達(dá)式：

單向化功率增益：這個就是承接上面的額轉(zhuǎn)換功率增益的，當(dāng)忽略放大器的反饋效應(yīng)的影響，即S12=0，這也是我們分析放大器工作，輸入輸出匹配的基礎(chǔ)，我們可以得到單向化功率增益的表達(dá)：

資用功率增益：這個在上面算轉(zhuǎn)換功率增益的基礎(chǔ)上，我們把負(fù)載也弄成了共軛匹配，也就是說其應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)的資用功率與信號源的資用功率之比，那么可以定義為：

功率增益：這個定義就比較直接明了，就是負(fù)載吸收的功率與放大器的輸入功率的比值：

（3）工作帶寬

對于工作帶寬的定義在我們之前的《耦合器芯片》一文中就有介紹，那么我們的放大器的帶寬定義還是類似，也可以根據(jù)傳輸函數(shù)曲線的幅度最高觀測值下降1dB和3dB兩種方式來定義1dB帶寬和3dB帶寬：

（4）1dB壓縮點與3階交調(diào)點

關(guān)于1dB壓縮點和3階交調(diào)點的定義我們再之前的《1.3萬字詳解射頻微波芯片設(shè)計基礎(chǔ)知識》一文中也有講到，如下圖所示：

放大器通常關(guān)注實際增益比理論上的線性增益少1dB的位置，就被稱之為1dB增益壓縮點。該點對應(yīng)的輸入、輸出功率一般分別標(biāo)記為 P 1dB,in 和 P 1dB,out。

如上圖所示，在放大器中當(dāng)有兩個及其以上的信號時，由于系統(tǒng)的非線性特性，會產(chǎn)生多個頻率分量，輸入信號pin（f1）和pin（f2）除了產(chǎn)生輸出信號Pout(f1)和 Pout(f2)之外，還產(chǎn)生了新的頻率Pout(2f2-f2)和pout(2f2 -f1) , 稱為三階交調(diào)輸出。

（5）直流功耗

對于有源電路而言，我們除了管芯電路的電性能指標(biāo)，對于其工作的電壓，電流也是比較關(guān)注的，一般而言我們希望整個電路在滿足性能指標(biāo)的同時其功耗越小越好。不過我們在設(shè)計電路時往往是一個折中的過程，這就需要設(shè)計人員不斷優(yōu)化管子參數(shù)以期實現(xiàn)最佳狀態(tài)。

（6）芯片面積

我們都知道北上廣房價飛上了天，但芯片單位面積的價格可比這個貴多了，重節(jié)約成本的角度來說我們需要盡可能地減小芯片面積，但是減小面積的同時也需要注意電磁耦合帶來的負(fù)面效應(yīng)。

低噪聲放大器的設(shè)計流程

通識技術(shù)

本小節(jié)咋門主要聊下如何來掌握低噪聲放大器設(shè)計索要具備的基礎(chǔ)知識，當(dāng)然由于篇幅原因，很多知識點我們就點到為止，更多的知識，大家隨便翻開一本幾十年前的射頻微波專業(yè)書籍就可以看到的，本文主要挑選了如下圖所示的幾個點，拋磚引玉：

GaAs pHEMT的小信號模型：

我們設(shè)計低噪聲放大器時常需要考慮寄生參數(shù)帶來的影響的，為了研究清楚管子內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)，本文給出一個業(yè)界常用的GaAs pHEMT管子小信號模型，該模型對于分析電路的各種參數(shù)的分析還是有不錯的指導(dǎo)意義的，后續(xù)我們設(shè)計也將采用該類管子進(jìn)行設(shè)計。

其中g(shù)m為管子的有效本征跨導(dǎo)，Rgs為柵源溝道電阻，Rds為漏源輸出電阻，綠色虛線框外的電阻Rg，Rs，Rd為管子外圍連接金屬化時引入的寄生電阻，同理，Lg，Ls，Ld為管子外圍連接金屬化時引入的寄生電感；Cgd，Cds，Cgs是與管子finger數(shù)和偏壓有關(guān)系的本征電容，在選用管子的柵指數(shù)時需要綜合考慮截止頻率，增益，噪聲以及寄生效應(yīng)等。

低噪聲放大器常見架構(gòu)：

不失一般性，我們這里主要討論常見的單級放大器架構(gòu)分類，其他最新的多級放大器架構(gòu)我們在后續(xù)的博文中會提及。

上圖為我們在實際工程中常常用到的單級放大器電路結(jié)構(gòu)，共柵放大器可以實現(xiàn)較寬帶寬，但是其噪聲系數(shù)需要有所犧牲；源簡并共源放大器結(jié)構(gòu)簡單，不過阻抗匹配電路的設(shè)計相對要困難一些；Cascode共源共柵放大器結(jié)合了兩者的優(yōu)點，但是存在Miller效應(yīng)，在實際設(shè)計時可以增大壓縮管的尺寸來降低Miller效應(yīng)，不過此時會使得漏極的電容增大，引入的噪聲加大，因此在選管子需要反復(fù)調(diào)試，達(dá)到多個指標(biāo)的折中。

穩(wěn)定性判別圓

在射頻微波頻段設(shè)計放大器與低頻不同，在低頻主要是通過相位裕度和增益裕度來判定放大器是否穩(wěn)定，在射頻微波頻段我們主要通過穩(wěn)定性判定圓或穩(wěn)定因子來判定。

在聊放大器的穩(wěn)定性之前我們玩一個小游戲，我先拋磚引玉一個小問題，大家來思考下：大家都知道，在設(shè)計LNA時一般要滿足K＞1，|deta|＜1，此時放大器就無條件穩(wěn)定了，那么這個小問題很簡單，就兩個字——“為啥”？？？

為了大家不打瞌睡，在分析放大器穩(wěn)定性時，我們繼續(xù)忽略具體的推導(dǎo)過程，主要給出一些結(jié)論，如果大家有什么不懂的可以加群討論學(xué)習(xí)，一起進(jìn)步。我們還是承接上文中提到的放大器模型，只用保證如下公式即可滿足穩(wěn)定條件（信號在上文網(wǎng)絡(luò)里面的所以端口均表現(xiàn)為良好的傳輸特性，沒有大于1的情況，因此可以認(rèn)定其穩(wěn)定）：

即有：

當(dāng)我們的放大器的S12較小時，我們就假定放大器為單向放大，此時只用S11與S22的模值小于1，即，此時輸入輸出端口的反射信號小于入射信號，放大器不會發(fā)生自激振蕩。不過很多時候，S12不為0，這個時候我們再來分析穩(wěn)定性相對而言就要復(fù)雜一些。

對于放大器網(wǎng)絡(luò)里面的四個反射系數(shù)，我們先假定in和out的一個臨界狀態(tài)，即：

此時，我們可以得到兩條分別關(guān)于負(fù)載反射系數(shù)和源端反射系數(shù)的兩條圓曲線，也就是|Γin|=1，與|Γout |=1分別映射到ΓL與Γs 上面的圓，此時為了對公式看起來更加清爽一些，我們對上面的公式重新變換定義一下：

這里我們就定義了在與平面上面的圓的圓心（實部和虛部）以及圓半徑，那么我們就可以這樣理解：我們在平面的單位圓繪制出來，然后根據(jù)時，可以得到||=|S11|，如果此時|S11|＜1，那么就可以得到的單位圓內(nèi)部為穩(wěn)定區(qū)，此時對于穩(wěn)定性判別圓有兩種情況：

①輸出判別圓||包含圓點（需要注意的是，上面的公式表明輸出判別圓是與相關(guān)的，輸入判別圓是與相關(guān)的，這里大家千萬別被繞進(jìn)去了），此時我們可以得到放大器的穩(wěn)定區(qū)為兩圓相交處，如下圖陰影部分所示：

②輸出判別圓||不包含圓點，此時我們可以得到放大器的穩(wěn)定區(qū)為單位圓內(nèi)且輸出判別圓外處，如下圖陰影部分所示：

對于輸入的穩(wěn)定圓判定也是相同的道理，本文就不在贅述。下面討論下絕對穩(wěn)定的判別圓圖解法（公式判別法很簡單，就是上文提到的小問題里面的那個），我們知道絕對穩(wěn)定是放大器穩(wěn)定的一個特例，主要就是指在頻率等一定的條件下，放大器在ΓL和ΓS的整個史密斯圓圖內(nèi)都處于穩(wěn)定狀態(tài)。也就是說，ΓL和ΓS選擇任意絕對值小于1的數(shù)時，均可以保證放大器穩(wěn)定，反應(yīng)到穩(wěn)定性判別圓上來說的話就是當(dāng)|S11|＜1且|S22|＜1時，放大器滿足下面的條件之一時，放大器絕對穩(wěn)定：

①輸出穩(wěn)定判別圓包含ΓL的單位圓圖，輸入穩(wěn)定判別圓包含ΓS的單位圓圖，即：

②輸出穩(wěn)定判別圓位于ΓL的單位圓圖外，輸入穩(wěn)定判別圓位于ΓS的單位圓圖外，即：

等增益圓

在放大器的設(shè)計中，為了簡化設(shè)計流程，同時由于S12與S21相比是很小的，因此我們假設(shè)晶體管網(wǎng)絡(luò)的S12為0，這樣可以得到放大器的單向傳輸?shù)霉β试鲆姹磉_(dá)式：

其中

進(jìn)一步地，我們知道（可以翻開一些教科書去查看相關(guān)證明）ΓL，ΓS在不同狀態(tài)下，可以表達(dá)成有著不同的等反射系數(shù)圓，進(jìn)而可以導(dǎo)出等增益圓。如下圖所示，等增益圓的用途主要還是在設(shè)計放大器增益和噪聲時配合使用。

等噪聲圓

我們知道放大管的噪聲系數(shù)的表達(dá)式如下所示：

恒噪聲系數(shù)圓表示了在保持放大器的噪聲系數(shù)不變的情況下源輸入反射系數(shù)ΓS的取值范圍，同樣的道理，等反射系數(shù)圓可以表示為：

其中圓心為

半徑為

QF為：

最后我們可以得到等噪聲系數(shù)圓的表現(xiàn)形式，該圓圖與等增益圓配合使用，威力無窮

匹配禁區(qū)

談到匹配禁區(qū)這個古老的概念，或許我們在日常工程設(shè)計中遇到的概率較小，但是一旦工程師們使用二元器件構(gòu)建L型匹配電路時，那么很有可能就會匹配不了的情況，即，在特定條件下很可能讓你的電路端口阻抗處于匹配禁區(qū)。

在之前的一期我們談到了Smith原圖匹配的方法，同時給出了如下圖所示的示意圖和匹配口訣：

并聯(lián)電感：沿著等電導(dǎo)圓逆時針移動；

并聯(lián)電容：沿著等電導(dǎo)圓順時針移動；

串聯(lián)電感：沿著等電阻圓順時針移動；

串聯(lián)電容：沿著等電阻圓逆時針移動。

但是，假如我們采用的是二元器件構(gòu)建匹配網(wǎng)絡(luò)，如下圖示：

圖片來源：《射頻電路設(shè)計--理論與應(yīng)用》

那么當(dāng)我們的端口源與負(fù)載阻抗為50歐姆時，此時如下圖所示，當(dāng)匹配電路為L型二元器件時，陰影部分是莫法匹配到50歐姆的：

圖片來源：《射頻電路設(shè)計--理論與應(yīng)用》

可能又有朋友會問了，大哥，你說得輕巧，這玩意為啥不能匹配啊？嗨，這還得從遙遠(yuǎn)的Smith原圖說起，大家可以參考下上面我們給出的匹配口訣，理解下各個L型匹配禁區(qū)的陰影部分取圖吧，有問題可以入群討論。

好了，本文放大器的通識技術(shù)部分就到此，通識技術(shù)按理說應(yīng)該還有很多很多，本文就主要節(jié)選了部分知識，其他相關(guān)的知識，大家下來可以自行查閱，下面我們就將進(jìn)入流行技術(shù)小節(jié)。

流行技術(shù)

談到流行技術(shù)不是說這些技術(shù)本身有多么地特別，多么流掰，而是針對特定需求，大家目前比較關(guān)注的一些設(shè)計方法和技巧。當(dāng)然，目前市面上的射頻微波IC公司的競爭趨于白熱化，很多公司已經(jīng)開始二輪甚至N輪融資階段，在未來幾年除了頭部企業(yè)也將倒下一批批初創(chuàng)公司（有核心競爭力的或被合并），之前靠有名校&名企經(jīng)歷的創(chuàng)始人背書，針對市場已有芯片產(chǎn)品做局部工作，即，通過做產(chǎn)品出來靠拼成本來替換別家產(chǎn)品的模式（當(dāng)然這個是也是之前“國產(chǎn)替代”主旋律），將會逐漸變得蒼白無力，在目前甚至說在未來很長一段時間，一款性能獨特的具備跨代競爭力的射頻芯片將會是公司突出紅海重圍的一大著力點，當(dāng)然于工程師而言，具備成功的流片經(jīng)驗以及能夠把握住產(chǎn)品的研究熱點&賣點，也會是咋門安身立命&升職加薪的一大利器，本文拋磚引玉，主要介紹如下幾種較為流行的技術(shù)，以饗讀者朋友們：

（1）噪聲消除技術(shù)

早在2004年由荷蘭Twente大學(xué)的Ferico Bruccoleri（目前在Catena Microelectronics任職）提出了一種噪聲消除的技術(shù)，其核心思想就是通過引入輔助的放大支路，有效地消除電路主路中的場效應(yīng)管（晶體管）的溝道噪聲，進(jìn)而降低噪聲系數(shù)。Ferico Bruccoleri在2005年著有《Wideband Low Noise Amplifiers Exploiting Thermal Noise Cancellation》一書，書中詳細(xì)地解釋了關(guān)于低噪聲放大器中的噪聲來源以及如何有效消除，大家感興趣可以去自行下載查閱，當(dāng)然也可在文末掃描碼加小編好友，免費索取。

由于篇幅原因，本篇博文就簡單聊下噪聲消除技術(shù)引入的主要背景：其實我們閱讀相關(guān)噪聲消除技術(shù)的由來可以發(fā)現(xiàn)，其技術(shù)的引進(jìn)主要是用于無電感的寬帶低噪聲放大器結(jié)構(gòu)中（射頻低頻端的電路隔交或者匹配電感較大，比較占面積，因此利用無電感技術(shù)可以實現(xiàn)芯片面積的壓縮），這類低噪聲放的一個顯著特征就是利用了放大管自身的一些特性來實現(xiàn)寬帶和阻抗匹配，但是由于采用了有源管子來實現(xiàn)匹配，必然會引入額外的噪聲，此時我們就需要想辦法盡可能地消除掉該噪聲，此時噪聲消除技術(shù)運營而生。

那么噪聲消除技術(shù)到底是怎么實現(xiàn)的呢？如上文提到的，基于Ferico Bruccoleri提出的核心思想，后期的研究者們不斷地演變了各種實現(xiàn)方法，在文獻(xiàn)1（文獻(xiàn)ID見文末）中，聊到了典型的噪聲消除LNA，如下圖所示：

      

                               （a）                                                                         (b)

圖片來源：文獻(xiàn)1

其中(a)為典型的電阻串聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的LNA，利用反向放大管選取合適的輸出節(jié)點得到反相的噪聲和同相信號，最后矢量疊加便可以消除噪聲。而對于（b）中則是一個差分輸出結(jié)構(gòu)，利用輸出有源管實現(xiàn)對CG管的寬帶匹配，然后噪聲相位不變但是在差分口可以將其抵消。進(jìn)一步地，為了實現(xiàn)在較為寬帶的范圍內(nèi)實現(xiàn)噪聲消除，在文獻(xiàn)2（文獻(xiàn)ID見文末）中，提到了多路噪聲相消的技術(shù)，如下圖所示:

圖片來源：文獻(xiàn)2

那么國內(nèi)最近幾年對噪聲消除技術(shù)的研究也較多，比如2017年清華大學(xué)的Zhijian Pan博士發(fā)表在TCAS-I上面的一文（文獻(xiàn)3，文獻(xiàn)ID見文末），利用交叉耦合Push-pull結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了0.1GHz~4.3GHz的無電感低噪聲放大器，同時采用有源管進(jìn)行噪聲消除，實現(xiàn)了全頻段最小噪聲小于3.5dB，通過無電感處理實現(xiàn)了整體芯片面積小于0.05mm2。

圖片來源：文獻(xiàn)3

除此之外，2017年電子科技大學(xué)Benqing Guo博士發(fā)表在JSSC上的文獻(xiàn)4（文獻(xiàn)ID見文末）以及該校Zhixian Deng博士在2021年發(fā)表在JSSC上的文獻(xiàn)5（文獻(xiàn)ID見文末）也值得一看。

那么，朋友們又會問了，既然噪聲消除技術(shù)這么好使，為啥我們的放大器在設(shè)計的時候還是有不小的噪聲啊？而且甚至有些微波毫米波LNA就算用了噪聲消除技術(shù)，貌似還沒有傳統(tǒng)的CG或者Cascode結(jié)構(gòu)的噪聲好，這是為啥？？？這個問題大家可以自己想一想，也可以參考上一期我們聊到的噪聲來源，去分析到底消除的是什么噪聲，除此之外，我們還要弄明白我們之所以使用噪聲消除技術(shù)的初衷（duang~duang~duang提示：芯片面積，帶寬，噪聲）。

（2）超寬帶（UWB）技術(shù)

相信大家對UWB技術(shù)還是不陌生的，就在一兩年前，我們就還常常看到這樣的新聞“搭載UWB技術(shù)的iPhone可以對AirTag實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的定位”，“基于“一指連”小米UWB技術(shù)，智能設(shè)備具有空間感知能力”，UWB技術(shù)曾經(jīng)在工業(yè)級的多模式、多系統(tǒng)融合中扮演著舉重輕重的作用，而如今又被iPhone的精準(zhǔn)定位技術(shù)重新點燃了大家對其消費電子領(lǐng)域的應(yīng)用熱情。一般而言，我們的UWB技術(shù)由于其抗多徑抗干擾能力突出，穿透力強，因此在室內(nèi)高精度定位，加密、身份認(rèn)證以及通信測距等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。

國內(nèi)目前UWB芯片賽道的公司也挺多，特別是2022年，由深圳市紐瑞芯科技發(fā)表在ISSCC上面的一篇1發(fā)3收UWB超低功耗芯片值得大家關(guān)注：

回到UWB LNA上來，下面我們將來聊聊類似六脈神劍的UWB放大器設(shè)計的招式（本文主要給出六種招式，招式不分先后高低，大家請按需學(xué)習(xí)，不要走火入魔）：

第一式——負(fù)反饋式

說到負(fù)反饋式，一般我們會有并聯(lián)電阻負(fù)反饋，基于變壓器的負(fù)反饋，以及有源負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。大家伙兒在看N多年前的教科書的時候，最為熟悉的莫過于并聯(lián)電阻負(fù)反饋式的架構(gòu)，該電路設(shè)計簡單，調(diào)試方便，可以實現(xiàn)多倍頻程的LNA，是大多數(shù)UWB LNA的較好選擇，為了給大家一個領(lǐng)進(jìn)門的直觀感受，這里給出一篇2018年的發(fā)表在IEEE TCAS-I上面的一款基于0.15um GaAs pHEMT工藝的DC~20GHz并聯(lián)電阻負(fù)反饋式低噪聲放大器，該文獻(xiàn)6（文獻(xiàn)ID見文末）具體如下圖所示：

圖片來源：文獻(xiàn)6

當(dāng)然，除了并聯(lián)電阻負(fù)反饋，我們在設(shè)計中也可以采用有源負(fù)反饋來實現(xiàn)，比如加拿大CIENA公司的Mahdi Parvizi 等人于2016年發(fā)表在IEEE TMTT上面的文獻(xiàn)7（文獻(xiàn)ID見文末），利用有源反饋拓展帶寬，實現(xiàn)了一款工作在0.1~2.2GHz的LNA，同時為了減小功耗，有源負(fù)反饋復(fù)用了輸入放大管的電流，整個芯片功耗為0.4mW，文獻(xiàn)7中的LNA具體電路結(jié)構(gòu)如下圖所示，該芯片面積為0.0052mm2：

圖片來源：文獻(xiàn)7

第二式——分布式

說到UWB放大器技術(shù)，其中最為簡單粗暴的莫過于分布式技術(shù)了，該技術(shù)雖然功耗較大，但是可以實現(xiàn)DC到上百GHz的超級寬帶的LNA，該類放大器實現(xiàn)超寬帶的核心原理在于將有源管處理成一個電容，通過外接電感，實現(xiàn)把整個放大器等效為傳輸線的效果（一般傳輸線的工作帶寬是很寬的）。

為了形象地展示該技術(shù)的可實現(xiàn)性，這里給出一篇2020年發(fā)表在IEEE MWCL上面的參考文獻(xiàn)8（文獻(xiàn)ID見文末），在文獻(xiàn)8中，作者Omar El-Aassar利用45nm RFSOI CMOS工藝實現(xiàn)了一款工作在DC~120GHz的放大器，整個芯片面積在0.51mm2，而其輸出飽和功率在20GHz、40GHz、60GHz實測值均超過21dBm。

圖片來源：文獻(xiàn)8

第三式——電感峰化式

早在上世紀(jì)40年代，我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降碾娨曪@像管中便有了電感峰值技術(shù)增大帶寬的身影。那么電感峰化拓展帶寬的核心點就在于將放大器的多個傳輸極點按需分布在寬頻帶范圍內(nèi)，進(jìn)而拓展帶寬。同樣，我們這里給出一篇于2006年發(fā)表在IEEE JSSC上面的一篇參考文獻(xiàn)9（文獻(xiàn)ID見文末），該文獻(xiàn)利用0.18um CMOS工藝，利用漏極多電感峰化傳輸響應(yīng)曲線，最終實現(xiàn)了一款1.3~10.7GHz的超寬帶低噪聲放大器。

圖片來源：文獻(xiàn)9

第四式——共柵（基）結(jié)構(gòu)式

共柵（基）結(jié)構(gòu)因其輸入阻抗為1/gm，我們只用稍微調(diào)整下放大管的柵指，柵寬就可以實現(xiàn)對輸入阻抗的良好匹配，進(jìn)而實現(xiàn)寬帶的效果，但是其噪聲系數(shù)相對與共源（射）結(jié)構(gòu)要大一些，因此這是一個折中的設(shè)計過程。

同樣，我們這里給出一篇于2013年發(fā)表在IEEE TMTT上面的參考文獻(xiàn)10（文獻(xiàn)ID見文末），該文獻(xiàn)采用0.18um CMOS工藝，利用共柵技術(shù)與雙反饋交叉耦合技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了一款工作在2.2~12.2GHz的超寬帶低噪聲放大器，該放大器噪聲系數(shù)全頻段小于2.6dB，功耗為7.4mW，IIP3在0dBm左右：

圖片來源：文獻(xiàn)10

感謝您能耐心看到此處，希望上面的文章內(nèi)容對您有一點點幫助（如果你是快速滑動手機(jī)到此處的，沒關(guān)系，精彩繼續(xù)），后文安排如上圖所示，將繼續(xù)介紹最新的LNA技術(shù)動態(tài)，演示LNA的工程實現(xiàn)方法，力爭完整呈現(xiàn)LNA的設(shè)計過程，也希望能得到您的持續(xù)閱讀。

當(dāng)然，文中很多知識點可能沒有抽包華子的快感，也沒有喝杯茅子的暢爽，本文主要以總結(jié)提煉、引導(dǎo)為主，力爭成為你的家庭教師，不求傾蓋如故，但求一起進(jìn)步（不敢想，現(xiàn)在小學(xué)生補習(xí)費已經(jīng)100元+/小時了)。當(dāng)然絕大多數(shù)人還是喜歡白嫖的，免費的東西鮮有珍惜，為此大家喜歡本文就支持下，繼續(xù)閱讀后文的LNA具體設(shè)計，不喜歡劃過就OK，一切隨緣。

（溫馨提示：點擊公眾號文章，加入收藏，可永久復(fù)習(xí)觀看；文末掃碼入群，一起學(xué)習(xí)）

https://mp.weixin.qq.com/s/6Iw-5QPbWY8YcdB0U2NfAg

作者：RFIC_拋磚?

關(guān)于RFASK射頻問問
射頻問問 (RFASK.NET) 是在"微波射頻網(wǎng) (MWRF.NET)”系列原創(chuàng)技術(shù)專欄基礎(chǔ)上升級打造的技術(shù)問答學(xué)習(xí)平臺，主要圍繞射頻芯片、微波電路、天線、雷達(dá)、衛(wèi)星等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，致力于為無線通信、微波射頻、天線、雷達(dá)等行業(yè)的工程師，提供優(yōu)質(zhì)、原創(chuàng)的技術(shù)問答、專欄文章、射頻課程等學(xué)習(xí)內(nèi)容。更多請訪問：www.rfask.net