射频收发机系列——毫米波低噪声放大器设计理论
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发布时间：2024-09-05 11:31
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时间：2024-11-29 04:13
低噪声放大器主要指标①噪声系数
[公式]
以dB为单位：[公式]
噪声系数定义了信号经过有源放大器后噪声特性恶化的程度。其中Na为有噪声二端口网络的等效噪声功率，Ga为二端口网络的有效功率增益，Ni为输入的有效噪声功率。若为无量纲噪声系数，其值一定大于1；若使用常用单位dB表达，其值一定大于0dB。在低噪声放大器的设计中，下面这个公式更具有指导意义：
[公式]
其中Rn为网络等效输入电阻，上式表明，可以通过匹配网络设计合适的源阻抗/源导纳，在特定的频率范围实现最低噪声。
[公式]
级联放大器的总噪声系数主要由第一级放大器贡献，另外第一级放大器的增益过小也会显著增大噪声系数。
②回波损耗RL、S11、反射系数Γ之间的关系
回波损耗RL:回波损耗定义为入射功率与反射功率之比, [公式] 。
S11:S参数，S11定义为二端口网络在端口2匹配时，端口1的反射系数。
反射系数Γ:反射系数Γ定义为反射波振幅与入射波振幅的复数比, [公式] 。
综上，可以有以下回波损耗RL与S11的关系：[公式] 。
③1dB压缩点IP1dB
随着放大器的输入功率增大，放大器的输出功率会趋于饱和，当放大器的输出功率比理想线性增益下的输出功率降低1dB时，放大器的输入功率为1dB增益压缩点。
④m阶截点
m阶截点是描述非线性放大电路互调失真程度的指标，定义为m阶互调功率点与基频功率相等时对应的输入和输出功率点。
m阶截点与输入信号功率Pi的关系：
[公式]
[公式]
输入三阶截点IIP3：三阶交调产物的幅度与基频信号幅度相等时的输入功率。
输出三阶截点OIP3：三阶交调产物的幅度与基频信号幅度相等时的输出入功率。
根据经验，三阶截点比1dB压缩点高大约10dB
Pi,s为输入功率灵敏度（可检测的最小输入功率），互调抑制可以由截点延长得出，线段AB的长度就是互调抑制的大小。
[公式]
[公式]
低噪声放大器常用的电路架构
很多参考资料都会进行不同电路架构的公式推导，这里就不多叙述，只定性分析一下不同电路架构的优缺点。
输入端并联电阻式共源放大器
图5给出的低噪声放大器架构，其输入端并联了一个匹配电阻Rp=50Ω，将输入阻抗匹配到Rs=50Ω，实现了宽带匹配。但并联电阻后，由于电阻分压，栅极有效信号只有输入信号的一半，并且引入电阻会使得放大器的噪声性能恶化。
优点：宽带匹配
缺点：①增益下降；②噪声恶化
共栅放大器
共栅放大器具有较低的输入阻抗：
[公式]
当信号频率足够小时，输入阻抗近似可看为实数，通过设计合适的器件尺寸、偏置电流将输入阻抗Rin匹配到源阻抗Rs=50Ω。
优点：引入的噪声较小
缺点：不适合大尺寸的晶体管，寄生电容过大会增大输入阻抗的虚部的影响
并联-串联反馈放大器
图6的低噪声放大器架构在输入端与输出端之间跨接了一个反馈电阻，可以通过设计合适的电阻、器件尺寸，同时实现输入阻抗匹配与输出阻抗匹配。这种架构的放大器在很宽的频带范围内具有相近的输入输出阻抗、电压增益。
优点：①宽带匹配；②输入输出同时匹配；③增益平坦度改善
缺点：①电阻的引入恶化了噪声性能；②增益下降；③与同等噪声系数水平的低噪声放大器相比功耗更大；④实现反馈结构的版图面积更大
源极电感反馈放大器
图7的低噪声放大器架构通过在晶体管源极串联一个电感，提供实部阻抗；电感Lg与晶体管的栅源寄生电容Cgs谐振，使得放大器输入阻抗虚部为0。但由于发生谐振的频带范围较窄，这种架构的放大器只能实现窄带匹配。
优点：不引起噪声性能的恶化，噪声性能好
缺点：窄带匹配，需要结合其它宽带匹配的设计方法
最小噪声匹配与共轭匹配
[公式]
前文中已经介绍了指导低噪声放大器设计的噪声系数公式，其中最佳噪声源阻抗与工作频率、器件工艺等参数有关，很难通过计算将其量化。当源阻抗通过匹配网络变换到最佳噪声源阻抗时，低噪声放大器就实现了最小噪声匹配。共轭匹配将源阻抗通过匹配网络变换到低噪声放大器输入阻抗的共轭时，低噪声放大器就实现了最大功率传输，此时增益较大。因此，低噪声放大器在一般情况下不可能同时实现最小噪声与最大增益。
图10为等噪声系数圆与等增益圆，可以观察得到几个有价值的
①所有等噪声系数圆的圆心都落在原点与Γopt的连线上；
②噪声系数越大，等噪声系数圆半径越大、圆心越靠近原点
稳定性
等噪声放大器的稳定性是非常重要的，在模拟集成电路中，稳定性常常使用增益交点、相位交点、相位裕度等指标进行描述。在射频集成电路中，常常使用二端口网络模型进行S参数的分析。对于任意一个二端口网络，反射系数的模值若大于1（表示反射波幅度比入射波幅度还大），输入阻抗相当于一个负电阻，会引起振荡。一般当工作频率、晶体管尺寸、偏置电流确定后，输入阻抗也就确定了。因此匹配网络的设计好坏直接关系到系统的稳定性。只要源反射系数|Γs|和负载反射系数|ΓL|均小于1，系统的输入反射系数和输出反射系数必定小于1，系统绝对稳定。
[公式]
[公式]
系统的反射系数满足以上两个条件时，系统绝对稳定。
设计流程与设计要求设计流程
图11为芯片设计流程示意框图，一款芯片的设计会经过多次迭代、折衷过程，最终完成各项指标权衡后的设计。
低噪声放大器作为接收机系统的第一级有源电路，在设计中最需关注的指标是噪声系数，其决定了整个接收机系统的噪声性能。低噪声放大器的主要作用是放大天线接收到的微弱信号，因此增益也是关键指标之一，在毫米波电路中单级放大器的增益往往会衰减到10dB以下，因此需要多级放大器实现足够的增益。S11与S22也是保证信号正常传输而不被大量反射的重要指标，在工作频段内两者一般要小于-10dB。线性度指标1dB压缩点和三阶截点等也是衡量低噪声放大器线性放大功率范围的指标。另外也有反向隔离度、功耗、芯片面积等主要指标。
毫米波低噪声放大器设计
在毫米波低噪声放大器的设计中，一般使用多级级联的放大器设计，因此分配每一级的性能参数也是极为重要的。第一级一般要考虑最佳的噪声性能同时要有适当大的增益，第二级、第*用于补充整体增益的同时要考虑一定的线性度性能。多级级联一般来说会显著增大功耗和面积，性能指标之间的折衷就显得十分重要，也是难点之一。
Sub-6G频带资源日趋紧张，新一代移动通信不得不开发毫米波频段的通信标准，这对射频前端电路提出了更高的要求。一方面，更高的频率对新的集成电路工艺提出了更高的要求，如第二代、第三代半导体工艺GaAs和GaN等等；另一方面也提高了电路设计的难度，为了满足毫米波通信的需求，射频前端芯片需要具有更高的频率、更大的带宽、更大的增益、更低的噪声、更小的面积等等。目前，大量研究集中于Ka波段（26.5-40GHz），后续将更新基于Ka波段的低噪声放大器设计过程。
参考文献
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[2]Huang, Chaoyu et al. "A 19–31GHz K/Ka-band Broadband Low Noise Amplifier with High Gain and High Flatness."2022 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications (IMWS-AMP)(2022): 1-3.
[3]Mollén C, Gustavsson U, Eriksson T, et al. "Impact of Spatial Filtering on Distortion From Low-Noise Amplifiers in Massive MIMO Base Stations". IEEE Transactions on Communications, 2018, 66(12):6050-6057.
[4]S. N. Ali, M. Aminul Hoque, S. Gopal, M. Chahardori, M. A. Mokri and D. Heo, "A Continually-Stepped Variable-Gain LNA in 65-nm CMOS Enabled by a Tunable-Transformer for mm-Wave 5G Communications," 2019 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Boston, MA, USA, 2019, pp. 926-929, doi: 10.1109/MWSYM.2019.8701023.
