LNA现状要点.docx

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LNA现状要点

低噪声放大器的应用与发展状况及趋势

1 低噪声放大器的应用 

    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一个非常重要的部分，常用于接收系统的前端，在放大信号的同时抑制噪声干扰，提高系统灵敏度。

    如果在接收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。

由此可见低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。

    低噪声放大器是雷达、电子对抗及遥测遥控接受系统等的关键部件。

L、S波段低噪声放大器一般用于遥测、遥控系统。

在电子对抗、雷达侦察中，由于要接收的信号的频率范围未知，其实频率范围也是要侦察的内容之一，所以要求接收系机的频率足够宽，那么放大器的频率也要求足够宽。

而且，雷达侦察接收的是雷达发射的折射波，是单程接收；而雷达接收的是目标回波，从而使侦察机远在雷达作用距离之外就能提早发现雷达目标。

灵敏度高的接收机侦察距离就远，如高灵敏度的超外差式接收机可以实现超远程侦察，用以监视敌远程导弹的发射，所以，要增高侦察距离，就要提高接收机灵敏度，就要求高性能的低噪声放大器。

在国际卫星通信应用中, 低噪声放大器的主要发展要求是改进性能和降低成本。

由于国际通信量年复一年地迅速增加, 所以必须通过改进低噪声放大器的性能来满足不断增加的通信要求。

因此, 要不懈地不断努力去展宽带低噪声放大器的带宽和降低其噪声温度。

从经济观点出发, 卫星通信整个系统的成本必须减少到能与海底电缆系统相竞争。

降低低噪声放大器的噪声温度是降低卫星通信系统成本的一种最有效的方法, 因为地面站天线的直径可以通过改善噪声温度性能而减小。

另一方面, 在国内卫星通信应用中, 重点放在低噪声放大器的不用维修特性以及低噪声和宽带性能, 因为在这些系统中越来越广泛地采用无人管理的工作方式, 特别在电视接收地面站中更是如此。

卫星通信用的低噪声放大器可以分为两种类型——低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放大器。

这些低噪声放大器用在几个频段内, 包括4GHz, 12GHz和毫米波频段。

宽带低噪声放大器的实现又有很多种类型。

SiGe工艺具有优异的射频性能，更由于其较高的性价比，被广泛应用于移动通信、卫星定位和RFID等市场；SiGe工艺还可以与常规的数字模拟电路相集成，制造出功能完整的SoC芯片。

目前采用SiGe材料制作射频集成电路已成为国际上的研究热点。

实现前端的低噪声放大器是最近兴起的超宽带射频通信系统中的挑战之一。

业界一直在追求完全集成的超宽带通信系统SOC，与其他工艺相比，CMOS工艺更易于系统集成,所以人们设计出了许多的CMOS工艺的超宽带低噪声放大器。

4GHz频段是目前卫星通信最通用的频段, 它用于国际卫星通信和国内卫星通信, 包括电视接收地面站。

在这些领域内, 已经研制出了各种各样的低噪声放大器并已得到了应用。

低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放大器根据其冷却系统可以分为三种类型, 即深致冷型式, 热电致冷型式和非致冷型式。

深致冷低噪声参量放大器在卫星通信的初期得到广泛的使用。

而今天, 除了一些特殊应用以外, 这种型式的参放几乎不象以前那样广泛地使用, 这是因为有维修困难等几方面的原因。

热电致冷和非致冷低噪声参量放大器主要用在国际卫星通信地面站中, 有时也用在国内卫星通信的关键地面站。

由于变容管的改进和泵频的提高, 这些低噪声放大器几乎具有深致冷参放那样的低噪声温度。

场效应晶体管低噪声放大器主要用在国内卫星通信地面站中, 特别是用在电视接收地面站中。

在这些场合,几乎普遍采用热电致冷和非致冷型式。

深致冷型式仅仅用在特殊的场合。

2发展状况及趋势 

    能够放大微波射频信号的元件有很多，速调管和行波管专门用于高功率场合下放大微波射频信号，而且噪声很高；参量放大器可用于低噪声放大，但是带宽较窄；利用半导体材料的雪崩效应工作的雪崩二极管，因为其噪声较大多数用作负载功率放大器；另外，还有隧道二极管、体效应二极管等微波固体器件，但前者承受信号功率小，易于烧毁而应用很少，而后者工作电压低、调频噪声小而多用于振荡器。

量子放大器的噪声系数最好，但是它庞大而且昂贵。

到上世纪四十年代微波晶体管的问世，由于其体积小、重量轻使得其成为微波固体器件的一个重要分支。

到了六十年代中期，由于平面外延工艺的发展，双极晶体管能够应用于微波射频波段。

而且，随着半导体材料和工艺的迅速发展，场效应晶体管紧接着也应用于微波射频频段。

微波晶体管放大器具有宽频带、稳定性好、噪声性能好、动态范围大等优点。

射频低噪声放大器的设计过程是一个多个性能指标参数折中的过程，它的性能参数包括工作频率、功率增益、噪声系数、输入输出匹配、线性度和直流功耗以及稳定性等。

随着CMOS工艺水平的不断提高，设计方法的不断进步，CMOS射频低噪声放大器的性能越来越高。

当然，现代无线通信系统对LNA的要求也越来越高，这必然也推动着人们不断去研究探索出新的性能更完善的LNA。

     在低噪声放大器的设计过程中，我们通常都有好几个目标，比如要使噪声尽可能地小，提供足够增益的同时要有足够的线性度，以及要能提供一个稳定的50Ω输入阻抗，当然在便携设备中还有一个要求就是功耗要尽可能地低。

当低噪声放大器前面有一个预选滤波器时，有一个性能好的输入匹配是非常重要的，因为这种滤波器对终端阻抗的质量是非常敏感的。

在设计者头脑中有一个这样的概念后，我们首先考虑的就是能够提供一个稳定的输入阻抗，因此出现了各种输入结构，归纳起来可以分为四种，如图1.1所示。

这里的每一种结构或者以单端形式出现，或者以差分形式出现。

                  图1.1  几种常见的LNA结构 

图1.1（a）所示电路，在栅极并联一个匹配电阻（在窄带应用中，为实现调谐还可以在MOSFET栅极并联一个到地的电感），虽然可以实现共轭匹配，但是对放大器的噪声系数影响很大，不适合于要求低噪声系数的场合。

图1.1（b）所示共栅极电路，它可以在低电压下工作，其输入电阻就是其跨导的倒数，我们可以选择合适的器件尺寸和改变其偏置实现阻抗匹配，它不必外接元件也能够达到50Ω的输入电阻，但是它的噪声性能不好，其理论最小噪声系数为2.2dB，不适合用在对噪声系数要求高的场合。

图1.1（c）所示电路，它是一个跨阻放大器，在宽带放大器中用的比较多。

图1.1（d）所示是源极电感负反馈电路，是目前低噪声放大器当中用的最为广泛的一种结构，它通过源极电感来产生输入阻抗的实部，由于它产生的这个实部不是实电阻，因而这种结构的噪声系数比较小。

在过去的二十几年，低噪声技术有了长远的发展。

在80年代早期，低噪声放大器的噪声性能已经相当出色了，然而其体积重量都比较大，功耗也比较大。

卫星地面终端对低噪声、重量轻、低功耗以及高可靠性同时提出了要求，当时的低噪声放大器还很难同时达到上述要求。

随着分子束外延（MBE）和金属有机化合物化学汽相淀积（MOCVD）等晶体生长技术、“能带工程”原理在器件设计中的成功应用，以及电路匹配技术，器件工艺技术的发展，人们开发了许多新型的半导体器件。

除砷化钾场效应晶体管（GaAs FET）外，其佼佼者有高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极晶体管（HBT）。

1981年法国Thomson－CSF公司研制成功第一个低噪声HEMT，在10GHz下，NF为2.3dB，Ga为10.3dB。

在之后的五年里，HEMT已取得了显著的进展，成为公认的最适于毫米波应用的低噪声器件之一。

在60GHz下，用GaAs基的HEMT器件能够达到NF＝1.7dB，Ga＝7.6dB。

InP-HEMT在1987年问世之后的几年里，噪声性能已提高到令人惊奇的程度，是目前毫米波高端应用最好的低噪声器件。

在60GHz下，InP-HEMT能够达到NF＝0.9dB，Ga＝8.6dB。

目前，用HEMT制作的多级低噪声放大器已广泛用于卫星接收系统、电子系统及雷达系统。

    微波电路是以微波混合集成电路（MIC）的形式出现的，它是把微波无源元件制作在塑料、陶瓷、蓝宝石等介质基片上．再把微波半导体器件装配（焊接）在基片上。

1989年，由混合微波集成电路技术制成的三阶InP基放大器在60-65GHz频段内，已达到噪声系数3.0dB，其相关增益为22dB。

三年以后，使用0.1μm InP基HEMT制成的三阶放大器在60GHz下已达到1.6dB的噪声系数，其相关增益16dB。

    高电子迁移率晶体管及异质结双极晶体管的出现和GaAs工艺的成熟，给微波单片集成电路（MMIC）的发展奠定了基础。

在MMIC中，通常由各种器件、集总参数元件和分布参数元件按照一定的电路拓扑排列而构成。

从电路的结构上来看，这和混合微波集成电路有着很多相似的方面，两者既有联系又有区别。

在MMIC中的元件包括有源元件和无源元件两类。

主要是利用MESFET或HEMT作为有源元件。

无源元件除了各种形状的传输线构成的分布参数元件外，一些集总元件也经常使用。

进入90年代，随着晶体材料技术和微细加工技术的发展，毫米波MMIC进入实用化阶段。

MMIC开始主要应用于军用系统，90年代以来，MMIC在商用产品中开拓了广阔的市场。

这主要是商用无线通信市场，如低轨道卫星移动通信、环球定位卫星系统等。

长期以来，射频集成电路实现工艺是以GaAs、SiGe衬底的BiCMOS/Bipolar工艺处于主导地位，主要是由于他们的高截止频率、高增益以及相对较低的噪声。

但是，由于通信电路的基带处理、数字信号处理通常都采用集成度更高的CMOS工艺，因此工艺的不兼容性长期以来成为了射频集成电路发展的一个瓶颈。

近年来人们对硅基深亚微米CMOS工艺技术发展作了不懈努力，MOS晶体管的性能得到了显著的提高，例如，MOSFET的截止频率已经达到了150GHz，这使得采用CMOS工艺实现射频集成电路成为可能。

而且，与传统的射频工艺相比，CMOS工艺有着先天的优势——高集成度（与基带、数字信号处理模块工艺兼容）、低成本。

所以CMOS射频集成电路成为当前的研究热点。

近年来，随着高新技术的迅猛发展，人类逐渐摆脱有线设备的束缚，无线通信已经广泛的用于人们的生活中：

移动通信、蓝牙（Bluetooth）、防撞雷达、医疗检测、生物分子学、物联网、全球卫星定位系统和宽带高速无线通信等⑴。

无线通信最早用于航海领域，换句话说，也就是大部分都是低频通信，功耗大、设备体积笨重，使用起来十分麻烦。

而后，随着通信技术的不断发展，高集成度、小型化和低功耗的多媒体终端设备应运而生，特别是近十年來，随着新一代个人通信高频数字信号处理技术的发展和基带信号处理芯片大量出现，以超大规模集成电路（VLSI）为基础的射频无线接收系统，即片上系统（SystemonChip,SOC）成为研究焦点。

无线通信收发机核心器件是射频电路（RadioFrequency,RF）和基带电路（BaseBand,BB）,早期的射频集成电路大多是以砷化镓（GaAs）、碎锗（SiGe）化合物衬底的双极性（Bipolar）工艺为主，这是山于它们具有较高的迁移率、低场饱和速率、较高的截止频率/r，低噪声系数等特性。

但是这种工艺成本较高，更重要的是它与采用互补金属氧化（Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS）工艺实现的基带电路部分不兼容，无法实现射频模拟电路和数字信号处理电路单片集成屯路。

又由于基带部分CMOS工艺已经比较成熟，改变此部分的工艺相对较为困难，那么人们就幵始想办法改变射频电路的工艺。

在砷化镓之后，曾经还使用过氮化镓（GaN）、憐化铟（InP）工艺来实现单片集成电路（Microwaveandmilimeterintegratedcircuits）,而后，随着半导体工艺技术以摩尔定律飞速进步，金属氧化层半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor,MOSFET）的尺寸从1960年的25um降到后來的0.35um、0.25um、直到现在的90nm、45nm、25nm,其截止频率ft提高到300GHz以上射频前端用CMOS工艺来实现成为可能。

相比砷化镓或者娃锗工艺，CMOS工艺的好处在于：

1.硅材料廉价丰富，易于生长成大尺寸高精度的晶体由于存在自然界来源丰富，相对于其它材料其价格更加低廉。

2.降低系统性能，CMOS电路功耗低，为设计低电压低功耗的射频前段提供了可能性。

3.易于高度集成。

如来用CMOS工艺实现射频模拟部分，就可以和数字电路部分组成完整的单芯片系统，做到了单片集成电路。

且随着金属层数的增加和RFCOMS高精度的器件模型的提出，特别是片上无源螺旋电感[3]，这些优势为高性能的射频集成电路提供了有力保证。

所以，目前遍认为RFCMOS工艺将成为新世纪里制造收发机的主流制造工艺。

在无线局域网射频前端系统中，如图1.1.1,低噪声放大器（LowNoiseAmplifier,LNA）是一个关键的组成部分，它直接影响着整个系统的性能。

它的主要功能就是将从天线接收到的微弱信号进行放大，同时将信号输出给后级的混频器，在这个过程中引入的噪声必须很低，如果信号在这级引入较大的噪声或者没有将信号放大，那么其后的射频模块将无法对有用信号进行处理。

所以作为接收系统第一级的LNA，它的噪声性能直接影响整个系统的噪声性能，其噪声性能必须满足最优；其次，作为放大器的LNA承担着放大天线接收到微弱信号的重要任务，在应用中要求必须提供足够的增益以抑制后续级模块的噪声；接养它必须提供良好的线性度，使其在较大的信号动态范围内保证系统工作的正常运行最后，为了实现最大功率传输，LNA的输入要与天线匹配，输出也要做到良好的阻抗1/1^丨紀。

因此，是否能用CMOS工艺來完成这些指标，设计出符合要求的低噪声放人器决定了整个接收系统用CMOS工艺实现的可行性。

1.2国内外研究现状

国外从20世纪80年代幵始，重点投入RFIC的工艺制造和设计技术研究。

在90年代有了重大突破，主要标志是实现了芯片的商品化，更制造出高品质因数电感与小尺寸电容。

随着工艺的不断进步，CMOS尺寸进一步缩小，集成电路产品将用于人们生活的方方面面。

可是，想要设计出兼具高增益、低噪声及低功耗的CMOSLNA是非常困难的，一般只能选择“trade-off’折衷。

一直到上个世纪九十年代中期，CMOS射频LNA噪声系数都在4-5dB左右直到ThomasH.Lee[6]U电流热噪声与栅噪声两方面入手，分析了电感源级负反馈低噪声放大器的噪声性能，得出这种结构能同时实现噪声匹配与输入功率匹配的结论，然后为了降低直流功耗，ThomasH.Lee等人又提出在功率约束下噪声优化方法，在满足噪声最优的情况下，功耗又得到了降低。

在此基础上，文献在第一级晶体管的栅极和源极之间加上并联电容，解除了不加这个电容LNA功耗与噪声性能之间的牵制关系，电路性能能到进一步提高。

表1.1，给出了国外近几年来低噪声放大器的设计指标，我们可以看出，随着工艺的发展，低噪声放大器的噪声系数大大降低，放大器的增益也得到了提高。

随着对LNA增益和频率的要求越来越高，人们开始关注多级级联放大器电路,Masud等人用两级放大來提高增益，首次设计实现了90nm工艺下的40GHzLNA。

Doan等人利用三级共源共栅级，采用0.13um标准CMOS工艺制作了第一块60GHzCMOSLNA,增益达到了12dB，噪声系数为8.8dB。

级数的增加使放大器的增益得到了改善，但同时也增加了整个电路的功耗，研究低功耗、低电压LNA成为了近几年研究的热点。

通常意义上的低电压指的是低于1V的工作电压，但是偏置电压的降低会导致系统射频性能的降低，因为低噪声放大器的噪声系数和NMOS的特征频率成反比管子的特征频率和偏置电压之间成正比，器件的线性度和增益和偏置电压也近似呈现正比关系那么偏置电迅减小理论上将导致噪声系数升高，增益减小，线性度变差。

由此分析可得，想要降低系统得功耗，单纯降低偏置电压是不可行的，一般来讲主要从改变电路的结构或者降低系统电路本身的阈值电压来实现。

文献[16][17]采用了电流复用技术来使功耗得到降低，两个共源管的偏置电流由同一偏置电流提供，其能使电路功耗降低一半。

文献[18]用跨导增强技术提出了一种低功耗的共栅放大器，该结构利用此技术获得了很低功耗，后又采用单片变压器反馈技术，在很低的功耗下达到很好的功率匹配和噪声匹配。

文献[19]的折叠结构低噪声放大器，实际上就是多级放大电路的级联，通过改进两级放大器的输入、输出或者中间级匹配网络来获得良好的电路性能。

文献[20]采用亚阈区技术，即降低偏置电压让MOS管工作在弱反型区，这种结构能达到很低的电路功耗，与强反型器件相比，亚阈区器件的非线性更为严重。

文献[21][22]还提出了正向体偏置技术，其主要思想就是通过改变衬底和源极之间的电势差来改变阈值电压，通过提高衬底的电势使衬底和源级之间为正电压，即MOS管体端为正向偏置。

甴于MOS管的阈值电压降低，其偏置电压也可以同时降低，而阈值电压的降低为低电压设计提供了条件。

国内对CMOS低噪声放大器的研究起步较晚，但是在国家大力扶持集成电路产业的政策下，2000年开始，中科院微电子研究所[23]研制的CMOS射频前端，主要针对开放的6-9GHZ，采用0.18un工艺，制造出超宽带低噪声放大器，增益大于18dB，反射系数均小于-lOdB。

东南大学毫米波国家重点实验室已经研制成功频率在25GHz以上的低噪声放大器，杭州电子科技大学[24][25]近两年来将重点放在CMOS工艺射频前端，对超宽带、低功耗mA和片上接收系统进行了研究和版图制作。

随着新的理论，新的结构不断出现，对基于CMOS工的低噪声放大器的研究对我国在新一代无线通信技术方面掌握主动权具有重要意义。

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随着无线通信技术的发展，高集成度、小型化和低功耗成为了无线通信的重要特征和需求，如手机，其已经从发明初期大砖头式的通话终端进展到现在的如卡片大小的多媒体终端。

高集成度和小型化是希望将所有的集成电路高度集成到单个封装系统或单个芯片上从而减少外围电路和元器件实现小型化。

而硅衬底CMOS工艺发展为高集成度和小型化提供了条件。

相对于其它工艺，如GaAs,InP等，硅衬底的CMOS工艺具有独特的优点[1]：

1、硅材料廉价丰富，易于生长成大尺寸高精度的晶体。

由于硅在自然界来源丰富，相对于其它材料其价格更加低廉。

2、易于高度集成。

采用CMOS工艺时，绝大部分集成电路，包括数字电路，DRAM，接收机等，都可以在单个CMOS芯片上实现，形成完整的单芯片系统（SystemonChip:

SOC），这种单芯片系统可以极大的实现系统高集成度和小型化。

另一方面，虽然硅工艺相对于GaAs,InP等工艺而言性价比高，但部分模块电路由于性能等原因，如功率放大器，开关等，不得不采用非硅衬底材料，这种情况下为了提高集成度和小型化通常需要封装系统来实现[2]，如微机电技术（MEMS）等三维技术。

对于这些高度集成的封装系统，由于散热通路受限等因素影响，从电能转化来的热能将成为封装系统的难点和影响系统性能潜在风险，能耗问题成为了整个系统关键问题，因此，低功耗可以极大的降低封装系统热设计难题。

对于位于封装系统中电器件而言，其功耗和其供电电压成平方关系，通常降低器件的工作电压是降低器件功耗的有效手段之一。

同时，对于一些可植入式医疗器件、无线传感器网络、无线遥测网络等通常需要采用小的电池或环境的能量来供电，在这种情况下需要保证整个器件或无线系统能够在低电压下工作。

另一方面，随着CMOS工艺的持续发展，为降