K波段跨导增强双路噪声抵消低噪声放大器-AET-电子技术应用

K波段跨导增强双路噪声抵消低噪声放大器

电子技术应用

王英骐1，王嘉文1，蒯杨1，2，郭润楠1，陶洪琪1

1.南京电子器件研究所；2.东南大学信息科学与工程学院

摘要： 为满足通信系统发展对高性能硅基低噪声放大器的需要，提出了一种跨导增强双路噪声抵消电路拓扑，能对晶体管噪声进行抵消，以实现良好的噪声性能。共栅路径中引入的跨导增强结构进一步改善了增益与噪声性能。基于以上拓扑设计了一款K波段低噪声放大器，由共栅与共源两条路径组成，两者互为反馈支路，通过两路合成实现双路的噪声抵消。电路采用90 nm CMOS SOI工艺设计，芯片核心尺寸为500 μm×280 μm。仿真结果表明，在17~22 GHz频带内实现了1.61~1.87 dB的噪声系数和15.8 dB的峰值增益，1 dB压缩点输入功率为-4.3 dBm，体现了较好的噪声性能与线性增益。

关键词： 噪声抵消低噪声放大器跨导增强

中图分类号：TN432 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256372
中文引用格式： 王英骐，王嘉文，蒯杨，等. K波段跨导增强双路噪声抵消低噪声放大器[J]. 电子技术应用，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

随着低频频谱资源不断被开发以及无线通信对更高通信带宽的需求，通信系统的工作频段正在迈向更高频[1]。为实现更高的信息吞吐量，我国低轨道卫星通信系统的上下行链路的频段已分别被分配至Ka波段与K波段[2-3]。用于接收卫星下行信号的地面接收终端为满足较广的电扫描角度和较远的覆盖距离，需要采用大规模相控阵天线来实现[4]。在以上应用背景下，低成本与高集成度成为天线阵列最重要的需求，这恰好契合硅基工艺的技术特点，也促使了硅基芯片在射频接收机中的应用。

根据噪声系数（Noise Figure, NF）的级联公式，低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）作为射频接收机中位于接收天线后的第一个子模块，其噪声性能对接收机整体的噪声起主导作用，晶体管产生的噪声又对LNA的总体噪声有较大影响。为降低硅基放大器的噪声系数，噪声抵消这一方法于2004年提出[5]。该方法的本质是通过引入一条反馈支路，将主路径中晶体管产生的噪声反相后反馈至输出端，使反馈的噪声与主路径中晶体管原本产生的噪声进行抵消。经过十余年的研究，噪声抵消的拓扑得到了一定的探索[6-8]。如图1所示，常用的噪声抵消结构主要包括两种类型：共栅噪声抵消结构和带反馈的共源噪声抵消结构[9]。它们均有着共栅和共源两条路径（即晶体管M1和M2所在路径），并分别抵消了共栅或共源支路中晶体管产生的噪声。但对于另一条路径，即图1(a)中的共源路径和图1(b)中的共栅路径，其中晶体管产生的噪声并未被抵消，电路的噪声系数还有进一步降低的空间。此外，学术界已报道的噪声抵消研究多集中在低频段，由于高频电路寄生效应严重，电路设计困难，噪声抵消技术的高频应用较少。

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图1　噪声抵消的常见拓扑

参考两种传统拓扑的噪声抵消思路与学术界其他成果中噪声抵消路径的构建方式，本文提出了一种跨导增强双路噪声抵消的电路拓扑，对两条路径中晶体管产生的噪声均实现一定程度的降低，以降低LNA整体噪声。为进一步提升LNA的增益与噪声性能，本设计在第一级的共栅晶体管处引入了基于磁耦合变压器的跨导增强结构。基于以上电路拓扑，本文设计了一款K波段双路噪声抵消LNA，电路采用90 nm CMOS SOI工艺进行设计，实现了较好的噪声与线性增益性能。下文将通过小信号等效电路与公式推导分析论证电路中采用的双路噪声抵消拓扑和跨导增强结构的原理与效果。

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作者信息：

王英骐1，王嘉文1，蒯杨1，2，郭润楠1，陶洪琪1

（1.南京电子器件研究所，江苏南京 210016；

2.东南大学信息科学与工程学院，江苏南京 210096）

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