一種10GHz高增益低噪聲放大器設計

鄭世程，呂志強，陳 嵐

（中國科學院微電子研究所，北京100029）

·大規模集成電路設計、制造與應用·

一種10GHz高增益低噪聲放大器設計

鄭世程，呂志強，陳 嵐

（中國科學院微電子研究所，北京100029）

提出了一種帶有輸入匹配網絡優化方法的窄帶10GHz LNA電路。通過插入全新的輸入匹配網絡，不僅滿足LNA低噪聲的要求，同時更使增益有所提高。提出的LNA采用0.18μm SiGe BiCMOS工藝，工作頻率為10GHz。結果表明，提出的窄帶HBT 10GHz LNA電路，在10GHz頻段測試增益大于11dB，噪聲3.6dB，功耗9mw，達到了較好的匹配效果，有較好的穩定性，滿足了收發機對LNA的指標要求。

無線收發機；低噪聲放大器；輸入匹配

1 引 言

當今世界，射頻集成電路（RFIC）隨著移動通信等技術的飛速發展而受到世界范圍通信產業越來越多的關注，各種相關技術的開發研究層出不窮。其中，用于無線收發系統的低噪聲放大器也是系統開發設計的瓶頸之一。而隨著集成電路特征尺寸的不斷減小，市場需求的不斷增高，對無線產品的要求也越來越嚴苛，既要求低功耗、高性能，又要求小面積和低成本。天線接收的信號在微伏級別，經常淹沒在噪聲中，將如此微弱的信號放大而不使噪聲惡化，同時又要有較好的匹配性能，是低噪放的技術難題。即使噪聲性能可以優化但增益往往難以提高，重點解決問題就是如何在低噪聲的同時使得高增益可以實現。

對于通常的窄帶HBT LNA電路，為滿足功耗、噪聲系數、阻抗匹配等約束條件，不可避免的會使增益較小，從而導致LNA總體性能較差，因此有必要對現有的設計結構進行一定的改進。通過改進匹配網絡結構，可以明顯提高提出的低噪聲放大器的增益。下面將通過電路設計部分介紹提出的低噪聲放大器的工作原理，然后在結果分析部分驗證提出的低噪聲放大器的性能，并與已有的低噪聲放大器進行比較，最后給出最終結論。

2 電路設計

通常，廣泛應用的單級低噪聲放大器結構如圖1所示。

其中輸入匹配由電感LB、LE與電容C1組成，其等效小信號圖形為圖2所示。

其中，WT為等效諧振頻率

其中Gain（1）為圖2傳統結構的電路增益，gm＝qIC／（kT），LB、LE為電感值，Cπ與C1為電容值，Zout為輸出等效阻抗。

圖1 傳統結構的LNA

圖2 傳統結構的LNA等效信號模型

根據增益公式可知，輸出阻抗不變的情況下，gm的大小對增益的大小有很大影響。由于上述結構，晶體管存在C1電流通路，即會有電流分流，會使得進入晶體管的電流比從輸入端進行的要小，導致gm減小，從而導致增益下降大，難以實現高增益目標，同時C1電容通常還會引入相當大的噪聲。

而且還可以看到，上述這種結構在高頻電路中，由于存在電容C1，Zin的阻抗值相對減小，這樣在同等信號源VS的條件下，晶體管分到的信號也將會減小，導致增益下降。

從增益公式的分母也可以看到C1的引入，將導致分母增大，從而使增益下降。

圖3為設計的射頻窄帶HBT LNA。

圖3 新匹配結構的LNA

電路由輸入匹配網絡：電容C3、電感LB、LE以及Q0的寄生電容實現，其中LB為主要匹配器件，LE作為反饋電感，實現電路的低噪聲特性。

主放大器結構：共集共射結構組成的三極管對，作為主放大結構，能夠避免米勒電容的影響，從而使得輸入輸出端得到良好隔離，保證系統的穩定。

輸出匹配網絡：由LF與三極管寄生電容、C2組成，實現高增益，最后信號在VOUT端輸出。

其相應的小信號結構如圖4所示。

圖4 新匹配結構的LNA小信號等效模型

這里需要注意的是C3的選取是有一定范圍的，并非是隨意的。本發明所述的放大器因為是低噪聲放大器，所以電容不能太大，否則會影響噪聲性能。同時由于電路工作在50歐姆阻抗下，匹配的要求決定C3取值的限制，不能太小。一旦接近晶體管的寄生電容值，易產生較大干擾誤差，使得實際電路的匹配性能變差。而且，因為電路需要有較大的增益，這里的增益在輸出匹配網絡確定的情況下，需要C3的值在某一特定工作頻率下有一個最優值，因此取值范圍大概是幾百fF到1～2個pF之間。

由小信號模型，可以得到以下公式：

其增益為：

Gain（2）為新電路結構的LNA增益，LB、LE為電感值，gm＝qIC／（kT），Cπ與C3為電容值，Zout為輸出等效阻抗。

在這種結構的高頻電路中，由于電容C1，被取代為電容C3，Zin的阻抗值相對增大了，這樣在同等信號源VS的條件下，晶體管分到的信號也將會增大，從而使得增益增大。

由于C3在匹配電路外端遠離晶體管，從增益公式中可以看到，對比前一個電路的電容，其絕對值是減小的，因此增益將增大。而且電容C3在前端好處的另一個解釋是，C3存在的分路減小的是輸入端信號，而非流入晶體管的信號，考慮到輸入端在增益公式的分母上，增益也是增大的。

由于這種LNA電路將電容放在了輸入端上，使得晶體管q0與q2上的電流與輸入端相當，由Gain的公式可得Ic越大，gm也越大，而Rout的值在不隨輸入改變而改變的情況下，Gain也會相應增大，即在匹配情況下，提升了電路增益。

3 結果與比較

以下以LNA單端電路的設計方案為例，其芯片圖如圖5所示。

該方案使用HBT 0.18μm工藝，工作頻率為10GHz，經過后仿真驗證，并在復旦大學測試得出如下結論：

使用新的匹配結構，使得仿真增益由原來的11dB變成了14dB，測試增益為11.4dB。效果十分明顯。

測試結果由wincal軟件得出，由圖6給出。

圖5 新匹配結構的單端LNA

圖6 新匹配結構的單端LNA的測試結果

提出的針對窄帶HBT LNA的低噪聲放大器設計，能夠滿足HBT LNA電路的各項性能指標，同時由于使用了電容C3，并選擇其優選值，可以提高電路增益。

芯片流片回來后，在復旦大學微電子中心進行了實際測量。測試結果顯示，輸入匹配-11.7dB，輸出匹配-31dB，增益11.4dB，噪聲系數3.6dB。

表1為LNA的性能對比。從表中可以看到，新設計的電路，在10G頻段增益值可以和其他文獻的電路比較，且噪聲值也較小，表明其增益改進方案可行。與此同時，其另一個優點是電路的功耗較小，在1.8V電壓下只有9mw。

表1 新匹配結構的單端LNA與其他電路對比

4 結束語

采用0.18μm的BiCMOS工藝，實現了一個10GHz的共極共射結構的低噪聲放大器，通過調整輸入匹配結構，靈活使用電容C3，提高了高增益，低噪聲的性能。設計的電路達到仿真14dB增益，3.1dB噪聲系數。實測增益12.07dB，噪聲系數3.58dB，可以與其他文獻電路相比擬。

［1］Kao H L，Changa K C.Very Low-Power CMOS LNA for UWBWireless receivers Using Current-Reused Topology［J］.IEEE Solid-State Electronics，2008，52（1）：86-90.

［2］Chen Ke-Hou，Lu Jian-Hao，Chen Bo-jiun，et al.An Ultra-wide-Band 0.14-10GHz LNA in 0.18CMOS［J］.IEEE Trans on Circuits and Systems-II：Express Briefs，2007，54（3）：217-221.

［3］Lu feng，Xia Lei.A CMOS LNA with Noise Cancellation for 3.1-10.6GHz UWB Receivers Using Current-Reuse Configuration［C］.／／Circuit and Systems for Communications，Shanghai：Proc of the 4th IEEE int’l conf，2008：824-827.

［4］Liao Chih Fan，Liu Shen Luan.A Broadband Noise-Canceling CMOS LNA for 3.1-10.6GHz UWB Receivers［J］.IEEE Jounal of Solid-State Circuits，2007：1-4.

［5］Wang Yanjie，In iew ski K.A 4.7-10.5GHz Ultra-Wideband CMOS LNA Using Inductive Inter-Stage Bandwidth Enhancement Technique［C］.／／circuit and systems，San Juan：Proc of the 49th IEEE int’l Midwest Symp，2006：215-219.

［6］Parviz Amiri，Hossein Gharaee，Abdolreza Nabavi.A 10GHz Reconfigurable UWB LNA in 130nm CMOS［C］／／Semiconductor Electronics，Kuala Lumpur，Malaysia：ICSE，IEEE International Conference，2006.

Design on a 10GHz Low-Noise Am plifier w ith High Gain

ZHENG Shi-cheng，LV Zhi-qiang，CHEN Lan
（The Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences（IMECAS），Beijing 100029，China）

Based on 0.18μm BiCMOSHBT technology，a one-stage 10GHz low-noise amplifier for wireless communication receivers is presented.The new topology of the matching network is given for achieving the purpose of high gain based on low noise in high frequency field.The LNA is implemented by a 0.18μm BiCMOS process.The successful experimental results indicate that the power gain（S21）keeps11dB on the frequency of 10GHz，noise figure keeps 3.6dB and power consumes keeps 9mw in 1.8V supply.

Wireless receivers；Low-Noise Amplifier；Inputmatching network

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.01.001

TN47

：A

：1002-2279（2014）01-0001-03

鄭世程（1986-），男，北京人，碩士，助理研究員，主研方向：射頻集成電路。

2013-06-28