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K波段跨導(dǎo)增強(qiáng)雙路噪聲抵消低噪聲放大器

電子技術(shù)應(yīng)用

王英騏1，王嘉文1，蒯楊1，2，郭潤楠1，陶洪琪1

1.南京電子器件研究所；2.東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院

摘要： 為滿足通信系統(tǒng)發(fā)展對高性能硅基低噪聲放大器的需要，提出了一種跨導(dǎo)增強(qiáng)雙路噪聲抵消電路拓?fù)洌軐w管噪聲進(jìn)行抵消，以實(shí)現(xiàn)良好的噪聲性能。共柵路徑中引入的跨導(dǎo)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善了增益與噪聲性能。基于以上拓?fù)湓O(shè)計(jì)了一款K波段低噪聲放大器，由共柵與共源兩條路徑組成，兩者互為反饋支路，通過兩路合成實(shí)現(xiàn)雙路的噪聲抵消。電路采用90 nm CMOS SOI工藝設(shè)計(jì)，芯片核心尺寸為500 μm×280 μm。仿真結(jié)果表明，在17~22 GHz頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1.61~1.87 dB的噪聲系數(shù)和15.8 dB的峰值增益，1 dB壓縮點(diǎn)輸入功率為-4.3 dBm，體現(xiàn)了較好的噪聲性能與線性增益。

關(guān)鍵詞： 噪聲抵消低噪聲放大器跨導(dǎo)增強(qiáng)

中圖分類號：TN432 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256372
中文引用格式： 王英騏，王嘉文，蒯楊，等. K波段跨導(dǎo)增強(qiáng)雙路噪聲抵消低噪聲放大器[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(4)：84-90.
英文引用格式： Wang Yingqi，Wang Jiawen，Kuai Yang，et al. A K-band gm-boost dual path noise-canceling LNA[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(4)：84-90.

A K-band gm-boost dual path noise-canceling LNA

Wang Yingqi1，Wang Jiawen1，Kuai Yang1，2，Guo Runnan1，Tao Hongqi1

1.Nanjing Electronic Devices Institute； 2.School of Information and Engineering， Southeast University

Abstract： To meet the demand for high-performance silicon-based low noise amplifier (LNA) with the development of communication systems, a gm-boost dual path noise-canceling circuit topology is proposed, which can reduce transistor noise and achieve low noise figure (NF). A gm-boost structure is introduced in the common-gate path to further improve the gain and noise performance. A K-band LNA is designed based on the topology mentioned above, consisting of two paths: a common-gate path and a common-source path, each of which acts as feedback branch of the other. Two paths are synthesized to achieve noise cancellation. The LNA is designed under a 90 nm CMOS SOI process, with a chip core size of 500 μm×280 μm. The simulation results show that a NF of 1.61~1.87 dB and a peak gain of 15.8 dB are achieved in 17~22 GHz. The input power with 1 dB gain compression is -4.3 dBm, demonstrating good noise and linear gain performance.

Key words : noise-canceling；low noise amplifier；gm-boost

引言

隨著低頻頻譜資源不斷被開發(fā)以及無線通信對更高通信帶寬的需求，通信系統(tǒng)的工作頻段正在邁向更高頻[1]。為實(shí)現(xiàn)更高的信息吞吐量，我國低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)的上下行鏈路的頻段已分別被分配至Ka波段與K波段[2-3]。用于接收衛(wèi)星下行信號的地面接收終端為滿足較廣的電掃描角度和較遠(yuǎn)的覆蓋距離，需要采用大規(guī)模相控陣天線來實(shí)現(xiàn)[4]。在以上應(yīng)用背景下，低成本與高集成度成為天線陣列最重要的需求，這恰好契合硅基工藝的技術(shù)特點(diǎn)，也促使了硅基芯片在射頻接收機(jī)中的應(yīng)用。

根據(jù)噪聲系數(shù)（Noise Figure, NF）的級聯(lián)公式，低噪聲放大器（Low Noise Amplifier, LNA）作為射頻接收機(jī)中位于接收天線后的第一個子模塊，其噪聲性能對接收機(jī)整體的噪聲起主導(dǎo)作用，晶體管產(chǎn)生的噪聲又對LNA的總體噪聲有較大影響。為降低硅基放大器的噪聲系數(shù)，噪聲抵消這一方法于2004年提出[5]。該方法的本質(zhì)是通過引入一條反饋支路，將主路徑中晶體管產(chǎn)生的噪聲反相后反饋至輸出端，使反饋的噪聲與主路徑中晶體管原本產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行抵消。經(jīng)過十余年的研究，噪聲抵消的拓?fù)涞玫搅艘欢ǖ奶剿鱗6-8]。如圖1所示，常用的噪聲抵消結(jié)構(gòu)主要包括兩種類型：共柵噪聲抵消結(jié)構(gòu)和帶反饋的共源噪聲抵消結(jié)構(gòu)[9]。它們均有著共柵和共源兩條路徑（即晶體管M1和M2所在路徑），并分別抵消了共柵或共源支路中晶體管產(chǎn)生的噪聲。但對于另一條路徑，即圖1(a)中的共源路徑和圖1(b)中的共柵路徑，其中晶體管產(chǎn)生的噪聲并未被抵消，電路的噪聲系數(shù)還有進(jìn)一步降低的空間。此外，學(xué)術(shù)界已報道的噪聲抵消研究多集中在低頻段，由于高頻電路寄生效應(yīng)嚴(yán)重，電路設(shè)計(jì)困難，噪聲抵消技術(shù)的高頻應(yīng)用較少。

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圖1　噪聲抵消的常見拓?fù)?/p>

參考兩種傳統(tǒng)拓?fù)涞脑肼暤窒悸放c學(xué)術(shù)界其他成果中噪聲抵消路徑的構(gòu)建方式，本文提出了一種跨導(dǎo)增強(qiáng)雙路噪聲抵消的電路拓?fù)洌瑢蓷l路徑中晶體管產(chǎn)生的噪聲均實(shí)現(xiàn)一定程度的降低，以降低LNA整體噪聲。為進(jìn)一步提升LNA的增益與噪聲性能，本設(shè)計(jì)在第一級的共柵晶體管處引入了基于磁耦合變壓器的跨導(dǎo)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。基于以上電路拓?fù)洌疚脑O(shè)計(jì)了一款K波段雙路噪聲抵消LNA，電路采用90 nm CMOS SOI工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了較好的噪聲與線性增益性能。下文將通過小信號等效電路與公式推導(dǎo)分析論證電路中采用的雙路噪聲抵消拓?fù)浜涂鐚?dǎo)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的原理與效果。

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作者信息：

王英騏1，王嘉文1，蒯楊1，2，郭潤楠1，陶洪琪1

（1.南京電子器件研究所，江蘇南京 210016；

2.東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210096）

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