一种10GHz高增益低噪声放大器设计

郑世程，吕志强，陈 岚

（中国科学院微电子研究所，北京100029）

·大规模集成电路设计、制造与应用·

一种10GHz高增益低噪声放大器设计

郑世程，吕志强，陈 岚

（中国科学院微电子研究所，北京100029）

提出了一种带有输入匹配网络优化方法的窄带10GHz LNA电路。通过插入全新的输入匹配网络，不仅满足LNA低噪声的要求，同时更使增益有所提高。提出的LNA采用0.18μm SiGe BiCMOS工艺，工作频率为10GHz。结果表明，提出的窄带HBT 10GHz LNA电路，在10GHz频段测试增益大于11dB，噪声3.6dB，功耗9mw，达到了较好的匹配效果，有较好的稳定性，满足了收发机对LNA的指标要求。

无线收发机；低噪声放大器；输入匹配

1 引 言

当今世界，射频集成电路（RFIC）随着移动通信等技术的飞速发展而受到世界范围通信产业越来越多的关注，各种相关技术的开发研究层出不穷。其中，用于无线收发系统的低噪声放大器也是系统开发设计的瓶颈之一。而随着集成电路特征尺寸的不断减小，市场需求的不断增高，对无线产品的要求也越来越严苛，既要求低功耗、高性能，又要求小面积和低成本。天线接收的信号在微伏级别，经常淹没在噪声中，将如此微弱的信号放大而不使噪声恶化，同时又要有较好的匹配性能，是低噪放的技术难题。即使噪声性能可以优化但增益往往难以提高，重点解决问题就是如何在低噪声的同时使得高增益可以实现。

对于通常的窄带HBT LNA电路，为满足功耗、噪声系数、阻抗匹配等约束条件，不可避免的会使增益较小，从而导致LNA总体性能较差，因此有必要对现有的设计结构进行一定的改进。通过改进匹配网络结构，可以明显提高提出的低噪声放大器的增益。下面将通过电路设计部分介绍提出的低噪声放大器的工作原理，然后在结果分析部分验证提出的低噪声放大器的性能，并与已有的低噪声放大器进行比较，最后给出最终结论。

2 电路设计

通常，广泛应用的单级低噪声放大器结构如图1所示。

其中输入匹配由电感LB、LE与电容C1组成，其等效小信号图形为图2所示。

其中，WT为等效谐振频率

其中Gain（1）为图2传统结构的电路增益，gm＝qIC／（kT），LB、LE为电感值，Cπ与C1为电容值，Zout为输出等效阻抗。

图1 传统结构的LNA

图2 传统结构的LNA等效信号模型

根据增益公式可知，输出阻抗不变的情况下，gm的大小对增益的大小有很大影响。由于上述结构，晶体管存在C1电流通路，即会有电流分流，会使得进入晶体管的电流比从输入端进行的要小，导致gm减小，从而导致增益下降大，难以实现高增益目标，同时C1电容通常还会引入相当大的噪声。

而且还可以看到，上述这种结构在高频电路中，由于存在电容C1，Zin的阻抗值相对减小，这样在同等信号源VS的条件下，晶体管分到的信号也将会减小，导致增益下降。

从增益公式的分母也可以看到C1的引入，将导致分母增大，从而使增益下降。

图3为设计的射频窄带HBT LNA。

图3 新匹配结构的LNA

电路由输入匹配网络：电容C3、电感LB、LE以及Q0的寄生电容实现，其中LB为主要匹配器件，LE作为反馈电感，实现电路的低噪声特性。

主放大器结构：共集共射结构组成的三极管对，作为主放大结构，能够避免米勒电容的影响，从而使得输入输出端得到良好隔离，保证系统的稳定。

输出匹配网络：由LF与三极管寄生电容、C2组成，实现高增益，最后信号在VOUT端输出。

其相应的小信号结构如图4所示。

图4 新匹配结构的LNA小信号等效模型

这里需要注意的是C3的选取是有一定范围的，并非是随意的。本发明所述的放大器因为是低噪声放大器，所以电容不能太大，否则会影响噪声性能。同时由于电路工作在50欧姆阻抗下，匹配的要求决定C3取值的限制，不能太小。一旦接近晶体管的寄生电容值，易产生较大干扰误差，使得实际电路的匹配性能变差。而且，因为电路需要有较大的增益，这里的增益在输出匹配网络确定的情况下，需要C3的值在某一特定工作频率下有一个最优值，因此取值范围大概是几百fF到1～2个pF之间。

由小信号模型，可以得到以下公式：

其增益为：

Gain（2）为新电路结构的LNA增益，LB、LE为电感值，gm＝qIC／（kT），Cπ与C3为电容值，Zout为输出等效阻抗。

在这种结构的高频电路中，由于电容C1，被取代为电容C3，Zin的阻抗值相对增大了，这样在同等信号源VS的条件下，晶体管分到的信号也将会增大，从而使得增益增大。

由于C3在匹配电路外端远离晶体管，从增益公式中可以看到，对比前一个电路的电容，其绝对值是减小的，因此增益将增大。而且电容C3在前端好处的另一个解释是，C3存在的分路减小的是输入端信号，而非流入晶体管的信号，考虑到输入端在增益公式的分母上，增益也是增大的。

由于这种LNA电路将电容放在了输入端上，使得晶体管q0与q2上的电流与输入端相当，由Gain的公式可得Ic越大，gm也越大，而Rout的值在不随输入改变而改变的情况下，Gain也会相应增大，即在匹配情况下，提升了电路增益。

3 结果与比较

以下以LNA单端电路的设计方案为例，其芯片图如图5所示。

该方案使用HBT 0.18μm工艺，工作频率为10GHz，经过后仿真验证，并在复旦大学测试得出如下结论：

使用新的匹配结构，使得仿真增益由原来的11dB变成了14dB，测试增益为11.4dB。效果十分明显。

测试结果由wincal软件得出，由图6给出。

图5 新匹配结构的单端LNA

图6 新匹配结构的单端LNA的测试结果

提出的针对窄带HBT LNA的低噪声放大器设计，能够满足HBT LNA电路的各项性能指标，同时由于使用了电容C3，并选择其优选值，可以提高电路增益。

芯片流片回来后，在复旦大学微电子中心进行了实际测量。测试结果显示，输入匹配-11.7dB，输出匹配-31dB，增益11.4dB，噪声系数3.6dB。

表1为LNA的性能对比。从表中可以看到，新设计的电路，在10G频段增益值可以和其他文献的电路比较，且噪声值也较小，表明其增益改进方案可行。与此同时，其另一个优点是电路的功耗较小，在1.8V电压下只有9mw。

表1 新匹配结构的单端LNA与其他电路对比

4 结束语

采用0.18μm的BiCMOS工艺，实现了一个10GHz的共极共射结构的低噪声放大器，通过调整输入匹配结构，灵活使用电容C3，提高了高增益，低噪声的性能。设计的电路达到仿真14dB增益，3.1dB噪声系数。实测增益12.07dB，噪声系数3.58dB，可以与其他文献电路相比拟。

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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

郑世程（1986-），男，北京人，硕士，助理研究员，主研方向：射频集成电路。

2013-06-28