射频集成电路综述

射频集成电路低噪声放大器研究前景

摘要

近年来，随着无线通信技术在移动通信、全球互联接入以及物联网等领域越来越广泛的应用。对于现代通信系统往往要求提供两个甚至更多的无线服务，因此就要求射频电路前端中的关键部件低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）能在多个频带下具有放大能力。因此如何能够放大多个频带的宽带低噪声放大器成为研究热点。

低噪声放大器是现代无线通信、雷达、电子对抗系统等应用中的十分重要的部分，常用于接收系统的前端，在放大信号的同时降低噪声干扰，提高系统灵敏度。如果在接受系统的前端连接高性能的低噪声放大器，在低噪声放大器增益足够大的情况下，就能抑制后级电路的噪声，则整个接收机系统的噪声系数将主要取决于放大器的噪声。如果低噪声放大器的噪声系数降低，接收机系统的噪声系数也会变小，信噪比得到改善，灵敏度大大提高。由于可见噪声放大器的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。

宽带低噪声放大器是一种需要有良好的输入匹配的部分。输入匹配是要求兼顾阻抗匹配和噪声系数的，对于这两个指标一般来说是耦合在一起的。现有的宽带匹配技术需要反复协调电路各部分参数，通过对阻抗匹配和噪声系数这两个指标的折中设定来达到输入匹配的要求，因此给设计增大了难度。

噪声抵消技术是一种可以有效的将上述两个重要参数进行分离的方法，对降低设计复杂度、缩短设计周期、降低设计成本具有重要意义。现有的噪声抵消电路结构基本上都是基于CMOS工艺的。近年来，随着SiGe 技术的发展，SiGe BiCMOS工艺逐渐成为射频集成电路工艺的主流。然而，基于 SiGe工艺的采用噪声抵消结构的设计方法还未见报道。因此，本文基于SiGe工艺，开展对工作于0.8-5.2GHz频段低噪声放大器的噪声抵消电路结构的设计研究。

研究背景

在过去三十多年时间里，射频(Radio Frequency, RF)和无线移动通信是电子信息产业中发展最为迅速的重要分支。射频和无线移动通信使得人与人之间，甚至是人与物之间能够不受时间、地点的限制进行信息交互，诸如手机、无绳电话、全球定位系统(Global Positioning System, GPS)及射频识别(Radio Frequency IDentification, RFID)等应用已渗入我们的生活和工作的各个领域，这些大大改变了人们的生活和工作的方式。

在国外，早在2002年，意大利人Bruccoleri就提出了噪声抵消的方法，即将匹配元件产生的噪声通过两条并联支路传递到信号的输出端时具有相反的相位。此时，匹配器件的调节对系统输出噪声的影响可以忽略，噪声系数由其它器件决定。即，实现了输入阻抗匹配与系统噪声系数的去耦。

在国内，对噪声抵消结构的设计也取得了显著的成果。2007年，台湾大学的Chih-Fan Liao，Shen-Iuan Liu等人使用并联峰化技术，基于0.18μm标准CMOS 工艺对3.1-10.6频带内的超宽带LNA进行了仿真研究，整个频带内放大器的增益为9.7dB，噪声系数为4.5-5.1dB。2008年，武汉理工大学的吕峰（Feng Lu），夏磊（Xia Lei）引入变压器等技术，同样基于0.18μm标准CMOS工艺，设计了3.5-10.4GHz，增益达到16.3dB，噪声系数小于5.8dB的低噪声放大器。同年厦门大学的高明坤（Mingkun Gao），李望（Wang Li）等人，基于相同工艺，设计了一款应用了有源电感的工作在375MHz-1.8GHz的放大器，其增益高于14dB，噪声系数小于4dB。

1996 年 Srinivasan C.等人利用工作在线性区的 MOS 管作为并联负反馈

来控制增益，实现了一款工作带宽为 80MHz 的增益可变低噪声放大器，增益变化范围 25dB，功耗 30mW。 2001 年，Gatta F.等人采用反相结构提出了一种频率为 900MHz 的全差分 CMOS 增益可变低噪声放大器，在电流为 8mA 的情况下噪声系数仅为 2dB，这是当时全差分CMOS增益可变低噪声放大器研究中在此功耗下最低的噪声系数。 2006 年，Seung L.等人采用三级增益电路结构设计了一款 UWB 增益可变低噪声放大器，其增益变化范围过 61dB，3dB 带宽约 200MHz，噪声系数小于 12dB。 2007 年，Wu Chang-Ching等人基于 CMOS 工艺，运用

串联栅峰化和负载并联峰化等技术实现了一款适用于 3.1-5GHz 超宽带系统的增益可变低噪声放大器，测得增益可变低噪声放大器在高增益模式下的噪声为3.2-5.6dB，增益为12.6-15.6dB，低增益模式下增益为7.2-8.1dB，输入输出回波损耗均高于10dB。2008 年，Yong-Ju Shu等人基于0.13µm工艺，采用电

压-电流指数控制电路设计了一种可适用于 WCDMA 标准的增益可变低噪声放大器，在 800MHz 下增益动态范围超过 100dB，在 2GHz 下增益动态范围超过 84dB。2011 年，Gabaly A M等人基于0.13µm CMOS 设计了一款工作于 1-5GHz 的增

益可变低噪声放大器，增益动态范围为 5.5-11dB，噪声系数为 4.8dB。 2013 年，Hwang Hyeonseok等人采用伪指数技术控制增益变化，实现了一款工作于

0.95-2.15GHz 的增益可变低噪声放大器，控制电压从 0.5-1.8V 变化时，增益实现了-38.5-16.8dB 连续变化。

研究成果

现有的噪声抵消电路结构基本上都是基于CMOS工艺的。近年来，随着SiGe 技术的发展，SiGe BiCMOS工艺逐渐成为射频集成电路工艺的主流。然而，基于SiGe工艺的采用噪声抵消结构的设计方法还未见报道。因此，本文基于SiGe工艺，开展噪声抵消电路结构研究，并开展采用噪声抵消技术的工作于0.8-5.2GHz频段低噪声放大器的设计研究。首先，设计了一款用于LNA输入匹配的SiGe HBT噪声抵消电路结构。通过解析的方法给出了此电路结构的噪声系数表达式，并与安捷伦公司的ADS （Advanced Design System）仿真结果对比，验证了该表达式的正确性。其次，给出了0.8-5.2GHz的噪声抵消结构电路参数的设计以及基于电流镜的偏置网络的设计方法。借助射频集成电路设计软件ADS，对该结构电路的噪声系数和输入匹配进行仿真。结果表明，在该频带内，输入匹配和噪声性能良好，并且很好地实现了匹配与噪声系数的去耦。再次，基于该噪声抵消电路结构，完成了0.8-5.2GHz LNA的设计。为兼顾输出匹配、电路线性度等因素，电路输出级采用了多重反馈结构。为了补偿高频增益的衰减，保证带宽满足设计目标，应用了并联峰化、匹配补偿和反馈补偿等带宽扩展技术。最后，对放大器各项性能参数进行了仿真。仿真结果表明，在0.8-5.2GHz范围内，LNA的S21达到23dB以上，噪声系数小于4dB，S11和S22在整个频带内均小于-11dB，且放大器无条件稳定，性能良好。接着，基于JAZZ 0.35μm BiCMOS 工艺绘制出了LNA的版图。

综合过去的研究可以看出，对噪声抵消结构的研究主要基于标CMOS工艺，这主要为了便于与数字部分集成，以便实现片上系统。然而，射频 CMOS管的高频增益、噪声等性能远低于分立模块的主流的GaAs、GaN工艺，这严重制约了RFIC的发展，乃至影响到SoC技术的发展。目前，一种新兴的基于SiGe HBT 的BiCMOS工艺逐渐从实验室进入了市场，广泛的应用于射频集成电路领域。这种工艺是双极型SiGe工艺与标准CMOS工艺的一种综合，既可以提供射频性能可与GaAs器件相媲美的SiGe HBT器件，又可提供适合于数字电路设计的标准CMOS晶体管。它兼具双极工艺和CMOS工艺的技术优势，可广泛应用于制作射频前端电路。在当前硅技术趋近于物理和工艺极限的情况下，SiGe技术为解决高速高频电路提供了新的技术途径。近几年，基于SiGe BiCMOS工艺技术的RFIC 电路研制一直是世界性范围内研究的热点。世界各国的研究人员都在BiCMOS射频集成电路RFIC的设计和制作方面进行了大量的研究，其中以作为开拓者的IBM公司和德国的TEMIC公司为代表。其他拥有SiGe技术的公司主要Motorola，JAZZ，NEC，Infineon，Maxim，TSMC等。国内对SiGe BiCMOS的研究主要集中在一些高校和研究所，目前也正处于飞速发展中。随着SiGe BiCMOS技术的不断成熟，其成本也将逐渐降低，性能的优势将决定它必将取代射频CMOS工艺，成为RFIC的主流工艺。相信不久的将来，利用SiGe BiCMOS工艺制作单片RFIC 乃至SoC都将会是大势所趋。不幸的是，目前基于SiGe技术的噪声抵消结构设计还未见报道。另外，由于SiGe HBT晶体管与MOS管的工作原理以及噪声产生机制并不相同，已经在射频CMOS工艺中进行了广泛研究的噪声抵消结构不能照