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K波段跨導增強雙路噪聲抵消低噪聲放大器

電子技術應用

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.東南大學信息科學與工程學院

摘要： 為滿足通信系統發展對高性能硅基低噪聲放大器的需要，提出了一種跨導增強雙路噪聲抵消電路拓撲，能對晶體管噪聲進行抵消，以實現良好的噪聲性能。共柵路徑中引入的跨導增強結構進一步改善了增益與噪聲性能。基于以上拓撲設計了一款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，通過兩路合成實現雙路的噪聲抵消。電路采用90 nm CMOS SOI工藝設計，芯片核心尺寸為500 μm×280 μm。仿真結果表明，在17~22 GHz頻帶內實現了1.61~1.87 dB的噪聲系數和15.8 dB的峰值增益，1 dB壓縮點輸入功率為-4.3 dBm，體現了較好的噪聲性能與線性增益。

關鍵詞： 噪聲抵消低噪聲放大器跨導增強

中圖分類號：TN432 文獻標志碼：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波段跨導增強雙路噪聲抵消低噪聲放大器[J]. 電子技術應用，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以及無線通信對更高通信帶寬的需求，通信系統的工作頻段正在邁向更高頻[1]。為實現更高的信息吞吐量，我國低軌道衛星通信系統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的覆蓋距離，需要采用大規模相控陣天線來實現[4]。在以上應用背景下，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特點，也促使了硅基芯片在射頻接收機中的應用。

根據噪聲系數（Noise Figure, NF）的級聯公式，低噪聲放大器（Low Noise Amplifier, LNA）作為射頻接收機中位于接收天線后的第一個子模塊，其噪聲性能對接收機整體的噪聲起主導作用，晶體管產生的噪聲又對LNA的總體噪聲有較大影響。為降低硅基放大器的噪聲系數，噪聲抵消這一方法于2004年提出[5]。該方法的本質是通過引入一條反饋支路，將主路徑中晶體管產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生的噪聲進行抵消。經過十余年的研究，噪聲抵消的拓撲得到了一定的探索[6-8]。如圖1所示，常用的噪聲抵消結構主要包括兩種類型：共柵噪聲抵消結構和帶反饋的共源噪聲抵消結構[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，其中晶體管產生的噪聲并未被抵消，電路的噪聲系數還有進一步降低的空間。此外，學術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嚴重，電路設計困難，噪聲抵消技術的高頻應用較少。

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圖1　噪聲抵消的常見拓撲

參考兩種傳統拓撲的噪聲抵消思路與學術界其他成果中噪聲抵消路徑的構建方式，本文提出了一種跨導增強雙路噪聲抵消的電路拓撲，對兩條路徑中晶體管產生的噪聲均實現一定程度的降低，以降低LNA整體噪聲。為進一步提升LNA的增益與噪聲性能，本設計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增強結構。基于以上電路拓撲，本文設計了一款K波段雙路噪聲抵消LNA，電路采用90 nm CMOS SOI工藝進行設計，實現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分析論證電路中采用的雙路噪聲抵消拓撲和跨導增強結構的原理與效果。

本文詳細內容請下載：

http://www.viuna.cn/resource/share/2000006400

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.東南大學信息科學與工程學院，江蘇南京 210096）

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