面向帕累托最优电压分布的低功耗高增益低噪声放大器设计

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Toward Pareto Optimal Voltage Distribution in Power Efficient Low-Noise Amplifiers

本文针对6G卫星通信和超宽带脉冲无线电对低功耗、高性能低噪声放大器(LNA)的迫切需求，提出了一种基于帕累托最优电压分布(POVD)设计理念的多级CMOS LNA。研究人员通过采用锥形器件堆叠策略，在45纳米工艺下实现了仅6.5 mW的功耗，同时获得24.1 dB峰值增益、2.9 GHz带宽和4.3 dB噪声系数。该研究为未来通信系统前端接收机提供了重要的低功耗解决方案。

　　

随着毫米波频谱的广泛应用，新兴的低功耗移动应用如超宽带脉冲无线电(IR-UWB)和6G FR3频段已成为研究热点。这些技术利用C波段和X波段频率，预计到2030年这些频谱区域将更具吸引力。然而，实现这些技术面临的核心挑战之一在于接收机前端的关键组件——低噪声放大器(LNA)。传统LNA设计在追求低功耗时，往往需要牺牲增益、线性度或噪声性能，难以同时满足现代通信系统对高性能和低功耗的双重要求。

为了解决这一矛盾，发表在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》上的这项研究提出了一种创新的设计哲学：帕累托最优电压分布。该研究旨在不牺牲关键性能指标的前提下，通过精细化优化多级放大器中每个晶体管的电压和电流分布，实现显著的功耗降低。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先，在45纳米CMOS工艺上设计了三阶全差分放大器结构；其次，创新性地采用了锥形器件堆叠策略，在输入级堆叠四个器件，后续阶段减少堆叠数量；第三，利用互补电流复用技术，通过电容耦合实现射频电流并联叠加；第四，在整个设计中实施共模反馈，确保跨工艺、电压和温度变化的可靠性；最后，通过输入端的感性退化技术和四阶谐振器实现宽带匹配。

帕累托最优电压分布

研究团队系统比较了多种低功耗LNA设计方法。简单电压缩放设计虽能减小尺寸，但会导致线性度恶化；传统电流复用技术能有效降低功耗，但同样面临线性度问题。本研究提出的POVD解决方案通过锥形堆叠方式，在输入级采用激进堆叠，后续阶段逐步减少堆叠程度，为每个增益级提供了更优的电压和电流分配自由度。

电压缩放的限制

通过Enz-Krummenacher-Vittoz(EKV)晶体管电流传导模型分析，研究发现当漏源电压(V_DS)低于0.25V时，器件性能开始出现不稳定，低于0.18V时稳定性急剧恶化。这一发现为器件堆叠设计提供了重要的理论约束。

LNA设计实现

设计的LNA采用三级全差分结构，输入级包含两个中性化的互补电流复用放大器，共享直流偏置电流，射频信号通过电容耦合并行传播。

中性化方案采用FET器件代替物理电容，蒙特卡洛分析显示这种方案在跨工艺、电压和温度变化时提供更稳健的性能。共模反馈机制通过三个运算放大器精确调节堆叠器件关键节点的直流电压，确保电压均衡分布。

测量结果

实测结果表明，该LNA在6.5 mW功耗下实现了24.1 dB的峰值增益，2.9 GHz带宽，4.3 dB的噪声系数和-22.9 dBm的输入1dB压缩点(IP1dB)。这些指标对应出色的LNA品质因数(FOM)，在与C波段和X波段类似器件的比较中表现优异。

研究结论强调，通过向帕累托最优电压分布的设计理念迈进，可以在多级放大器中精心考虑每个晶体管的功耗消耗，实现功耗的显著降低而不影响关键性能指标。战略性的有源器件堆叠允许偏置电流按比例缩小，输入级采用两个互补电流复用放大器单元堆叠，实现四倍功耗节省，后续级采用单个互补电流复用放大器单元，实现两倍功耗节省。共模反馈的使用保证了堆叠器件的均衡电压分布，提高了整体线性度。结合精心的输入、输出和级间耦合网络设计，使得该器件成为卫星IR-UWB和6G卫星通信应用中极具吸引力的选择。

这项研究的重要意义在于为未来通信系统的低功耗前端设计提供了新的设计范式，通过系统级的电压和电流优化，实现了功耗与性能的最佳平衡，为6G和超宽带通信技术的发展奠定了重要的硬件基础。