采用Gm增益提升和双重反馈技术的2.4–6.6 GHz CMOS低噪声放大器，具有高增益和低噪声系数的特点

《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：A 2.4–6.6 Ghz CMOS low-noise amplifier with high-gain and low noise figure employing Gm-boosting and dual feedback techniques

　　

# 摘要

本文提出了一种增益增强型宽带低噪声放大器（LNA），具有低噪声系数（NF）。在所提出的结构中，采用了Gm增强技术来提升LNA的增益。此外，引入了双电阻反馈和噪声抵消技术来实现噪声抑制，从而改善LNA的NF性能。本文进行了理论分析。为验证设计效果，该LNA采用65纳米CMOS工艺进行设计，并在Cadence软件中进行仿真。后布局仿真结果表明，所提出的结构不仅消除了输入级的噪声和非线性，还改善了功率增益与输入匹配之间的关系，从而提升了LNA的增益。具体而言，所提出的LNA带宽为2.4至6.6 GHz。在该频率范围内，其NF在1.39至1.92 dB之间变化，最小NF为1.39 dB。此外，其最大增益为14.8 dB。该LNA在4 GHz处实现了1.7 dBm的三阶输入截断点（IIP3），同时从1.1 V电源消耗的功率为10.6 mW，核心面积为0.051 mm2。

# 引言

随着宽带无线通信技术的快速发展，包括第五代（5G）移动通信和多标准多频段终端在内，对高性能宽带接收机前端的的需求日益增长。作为接收链路中的第一个有源模块，低噪声放大器直接决定了整个接收系统的信号质量和灵敏度。对于高性能宽带LNA的设计，核心挑战在于同时满足多个紧密耦合的性能指标——包括输入匹配、功率增益、噪声系数、线性度和功耗——并突破这些关键性能指标之间固有的折中关系[1]、[2]、[3]。

传统低噪声放大器拓扑面临显著的性能瓶颈。共栅拓扑通过输入晶体管的跨导来保持输入阻抗匹配，但其增益和噪声性能受到严格的输入匹配要求的限制[4]。尽管共源并联电阻反馈结构通过电阻反馈实现了宽带输入匹配，但仍然无法规避增益、噪声系数和输入匹配之间的固有折中关系[5]。噪声抵消（NC）技术可以有效抑制输入匹配晶体管引入的额外噪声，从而在一定程度上突破某些性能约束；然而，当噪声抵消结构与有源反馈机制结合以同时实现高增益和低噪声时，由于有源反馈级引入的非线性，整体线性度往往会显著下降[6]。

采用传统的单电阻反馈结构是实现宽带阻抗匹配的简单直接的方法。通过引入受控负反馈，该结构可以在宽频范围内同时优化输入和输出端口的阻抗匹配性能。然而，反馈电阻本身会引入额外的热噪声，并在信号路径中引起欧姆损耗，从而限制了电路增益并降低了整体噪声性能。如果试图增大反馈电阻值以增强增益并降低等效输入噪声，则必然导致输入端口的等效电阻增大，进而恶化输入匹配特性。增益、NF和端口匹配性能之间的这种固有强耦合和相互制约构成了传统宽带低噪声放大器设计的核心瓶颈[7]。

为了解决上述问题，本文结合了双电阻反馈结构与噪声抵消技术。与传统单电阻反馈噪声抵消低噪声放大器不同，双电阻反馈网络打破了输入匹配与功率增益之间的严格约束。它采用局部反馈电阻结构，显著改善了噪声性能和增益，从而在不恶化输入匹配特性的情况下进一步提升增益并降低噪声系数。本设计中采用的局部反馈电阻结构与传统设计不同，具有新颖的电阻连接方式。具体而言，采用了创新的Gm增强电阻反馈结构，通过优化反馈电阻的连接方式，将反馈电阻的输入端与栅极电感并联重构[8]、[9]。这种重构可以显著增强电路在高频段的等效跨导（Gm）。结合自正向体偏置（SFBB）CMOS电流复用反相器结构，在不增加额外功耗的情况下实现电流复用和跨导增强，从而提升增益并适应低压工作条件。对于宽带接收机前端，NF和线性度都至关重要。NF决定接收机对弱信号的灵敏度，而线性度则决定了其对强阻塞信号和邻道干扰的容忍能力。因此，所提出的LNA通过噪声抵消、Gm增强和双电阻反馈来优化NF和增益，同时保持良好的线性度，为现代亚6 GHz无线通信接收机提供了一个极具竞争力的解决方案。

# 电路设计与分析

图1展示了所提出的LNA的原理图。该电路拓扑集成了传统的宽带共源电阻反馈LNA、Gm增强电阻反馈网络和全局反馈路径。第一级由PMOS晶体管Mp1和NMOS晶体管Mn1组成互补自偏置反相器型有源跨导级。在输入端口与有源器件栅极之间连接了栅极电感Lg。电阻R1桥接……

# 后布局仿真结果

所提出的LNA通过标准65纳米CMOS工艺的后布局仿真获得了仿真结果。选择65纳米节点是因为其具有高迁移频率ft和高最大振荡频率fmax，能够提供优异的高频、低噪声性能和低功耗。图8展示了LNA的版图。如图所示，电路占用的面积为354 μm × 144 μm。电路从1.1 V电源工作，消耗10.6 mW的直流功率。该……

# 结论

本文提出了一种实现低噪声系数和高增益的宽带LNA架构。采用了一种结合噪声抵消和Gm增强拓扑的双电阻反馈方案，以突破基本的性能折中关系。通过集成噪声抵消、Gm增强和双电阻反馈，该设计能够在保持适当输入匹配的同时，实现低NF和高功率增益的同时满足。后布局仿真结果验证了……

# CRediT作者贡献声明

钟美怡：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写。刘健：写作——审阅与编辑。沈飞扬：研究。王晨：数据管理。陈江鹏：可视化呈现。

# 利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

钟美怡 | 刘健 | 沈飞扬 | 王晨 | 陈江鹏