《射频微波芯片设计》专栏适用于具备一定微波基础知识的高校学生、在职射频工程师、高校研究所研究人员，通过本系列文章掌握射频到毫米波的芯片设计流程，设计方法，设计要点以及最新的射频/毫米波前端芯片工程实现技术。

本文共计六部分

1.前 言——讨论为啥要做低噪放

2.基本概念——认识什么是低噪放

3.通识技术——讨论常见的设计方法

4.流行技术——浅析低噪放常见的研究动态

5.工程技术——演示基于仿真工具演示综合方法

6.结 束 语——工程文件使用小结以及全文小结

（全文阅读大概需15分钟，如果您能静下心来用电脑阅读30分钟以上，且能参考本文去设计低噪声放大器了，这将是我逐字地码这篇文章最大的荣幸。不求倾盖如故，但求一起进步）

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前言

低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）通常用于无线电子系统的接收机前端之中，如我们在之前的推文《1.3万字详解射频微波芯片设计基础知识》中，我们详细讨论了射频发射机、接收机的常见架构，在接收机系统中，低噪声放大器常常为处于天线之后的第一个元器件，其性能优劣直接决定着接收机系统整体的噪声系数、灵敏度指标的好坏。

我们翻开本土射频IC领域的排头兵企业的发展历程，不难发现，低噪声放大器成为了诸多RFIC/MMIC企业成功的奠基石，如某胜微，某为电子在射频领域有着多款可以与国外大厂扳手腕的LNA产品，当然最近科创板许多上市的射频微波公司也有不少低噪放的芯片作为其核心产品。

言归正传，对于我们设计开发人员而言，一款性能优异、工作稳定的低噪声放大器芯片又该怎么去设计呢？当拿到一个设计任务，面对设计流程和设计方法不熟悉的我们，是不是有种剪不断理还乱的感觉：

或者，当我们参考现有的教材、论文以及各种论坛里面的设计流程，利用EDA工具一顿操作猛如虎，完成了一次又次Beautiful的指标仿真验证，然后经过数月漫长的流片等待，终于有一天心心念念的片子回来了，我们满怀期待地走上了探针台，准备测试，但是当测试时的我们，看着第一次做的片子很可能是这样的：

绝望的你是不是拍着大腿不由感叹着“一顿仿真猛如虎，一看测试成了土”，似乎完成一款性能良好，工作稳定的低噪声放大器芯片设计，成了入门RFIC/MMIC领域不得不面对的一座不太容易逾越的大山。

针对上述两大问题，本文的主要目的有：

（1）夯实基础——给工作繁忙的一线从业人员，温故常见的LNA基础知识，设计流程，设计思路；

（2）梳理流程——给入门的萌新们梳理LNA设计方法和具体步骤，提供基于ADS仿真设计LNA芯片的工程文件，抛砖引玉，给想从事RFIC/MMIC行业的朋友们提供一个学习参考；

（3）总结经验——介绍最新的低噪声放大器的研究动态和常用的工程实现手段，通过具体案例讲解，给从业人员展示了一些LNA性能不断提升的通道；

全文主要按照如下行文组成：

（1）前言部分，笔者总结了常见的LNA基础知识和基本概念；

（2）基本概念部分，这小节主要讨论LNA的概念，性能指标，以及常见的设计流程；

（3）通识技术部分，主要讲解分析LNA设计中所需要用到的匹配技术，常见架构，等增益圆，等噪声圆，稳定性判别圆；

（4）流行技术部分，主要根据目前最新的论文、专利，总结了LNA的研究动态和技术手段；

（5）工程技术部分，为了方便大家快速学习LNA的设计方法，本文基于0.15 μm GaAs pHMET工艺（官网可公开下载的PDK）来讲解片上低噪声放大器芯片的设计思路，设计流程，以及工程实现的方法。最后，分享了本次基于ADS仿真软件的LNA工程文件以及相关使用说明（文末扫码识图加小编好友，可获得下载权限，当然小编也会咨询大家意见，将大家拉入学习讨论群）。

基本概念

本小节主要给大家温故一些低噪声放大器的基础知识，包括放大器的定义，常见的衡量指标（比如稳定因子，增益，噪声系数，功耗，面积等等），希望大家可以快速掌握“什么是低噪声放大器”的问题。

低噪声放大器定义：

低噪声放大器，往往被用于接收机系统的第一级，根据之前的博文里面的接收机灵敏度理论计算公式，可以得出这样一个结论：接收机的灵敏度好坏，主要取决于第一级低噪声放大器的噪声系数的高低。

那么什么是低噪放呢？

顾名思义，当我们咬文嚼字时不难发现低噪声放大器首先是一个放大器，而放大器是一种将微弱信号进行一定倍数放大的器件，然后这个放大器主要考虑的是当放大信号的时候，尽可能小地引入噪声。

低噪声放大器主要指标：

（1）噪声系数

噪声系数主要是衡量低噪声放大器引入噪声大小的一个指标，如果我们对LNA电路里产生的噪声来源不清楚，可以按照黑盒子定义法，把其直接定义为输入信噪比与输出信噪比的比值：

为了在实际工程中表示方便，我们通常采用dB值来表示噪声，即对上面的噪声F取一个对数

当然，如果读者朋友们如果想要深入探讨下噪声的来源，可以参看我们上期的内容《射频电路中的噪声概论》。接下来我们省去中间推导过程（感兴趣的朋友可以参看之前推荐的经典教材），直接给出单级放大器的噪声系数的求解公式值如下：

其中，NFmin是放大管的最小噪声系数（需要注意的是，NFmin能否调节也是射频板级工程师和射频芯片工程师的主要工作区别之一，射频芯片工程师需要根据项目背景需要调节管子的宽长比，以获得满足要求的噪声、功耗以及线性度等指标，而板级射频工程师一般在选定器件后是不太容易对NFmin进行调节的，这几个基本上就是我们后续匹配到最佳噪声系数（即NFmin）时对应的最佳源反射系数、管子输入端的源反射系数以及管子的等效噪声电阻。

当然，在设计低噪声放大器时，我们时常需要有较高的增益，此时大多需要用过多级级联来实现，那么噪声的级联公式如下：

由上面的式子可以看出，由于放大器增益的缘故，整个放大电路的噪声贡献主要来源于第一级放大器，因此第一级放大器需要有较好的噪声系数和增益。

（2）放大器的增益

如上图所示，我们把放大器晶体管（场效应管）等效为一个S参数矩阵，然后绘制出其信号流图，然后为了概述简洁，以及避免大家被绕晕，本文对其具体的推导过程不在详细展开，这里主要给出几个增益表达式并给出简单的解释：

信号源的资用功率：输入阻抗与信号源的内阻符合共轭匹配条件，即进入晶体管网络的功率达到最大，此时我们可以把输入口叫做信号源的只用功率（多带带拎出来的原因，主要是因为我们后续定义放大器相关增益的概念要用到）：

转换功率增益：我们把传输到负载的功率与信号源的资用功率之比叫做转换功率增益。怎么理解呢？其实就类似于当我们出生一样，都是命运给予了最好的恩赐（放大网络得到了信号源的资用功率），至于最终有没有悟道，有没有得到自己想要的目标，就看个人的修行了，当生命来到终点时，回顾自己走过的人生，得到的与出生时拥有的比值就是我们的转换功率增益了。根据定义以及上图的信号流图，我们可以得到如下的转换功率增益的表达式：

单向化功率增益：这个就是承接上面的额转换功率增益的，当忽略放大器的反馈效应的影响，即S12=0，这也是我们分析放大器工作，输入输出匹配的基础，我们可以得到单向化功率增益的表达：

资用功率增益：这个在上面算转换功率增益的基础上，我们把负载也弄成了共轭匹配，也就是说其应该是网络的资用功率与信号源的资用功率之比，那么可以定义为：

功率增益：这个定义就比较直接明了，就是负载吸收的功率与放大器的输入功率的比值：

（3）工作带宽

对于工作带宽的定义在我们之前的《耦合器芯片》一文中就有介绍，那么我们的放大器的带宽定义还是类似，也可以根据传输函数曲线的幅度最高观测值下降1dB和3dB两种方式来定义1dB带宽和3dB带宽：

（4）1dB压缩点与3阶交调点

关于1dB压缩点和3阶交调点的定义我们再之前的《1.3万字详解射频微波芯片设计基础知识》一文中也有讲到，如下图所示：

放大器通常关注实际增益比理论上的线性增益少1dB的位置，就被称之为1dB增益压缩点。该点对应的输入、输出功率一般分别标记为 P 1dB,in 和 P 1dB,out。

如上图所示，在放大器中当有两个及其以上的信号时，由于系统的非线性特性，会产生多个频率分量，输入信号pin（f1）和pin（f2）除了产生输出信号Pout(f1)和 Pout(f2)之外，还产生了新的频率Pout(2f2-f2)和pout(2f2 -f1) , 称为三阶交调输出。

（5）直流功耗

对于有源电路而言，我们除了管芯电路的电性能指标，对于其工作的电压，电流也是比较关注的，一般而言我们希望整个电路在满足性能指标的同时其功耗越小越好。不过我们在设计电路时往往是一个折中的过程，这就需要设计人员不断优化管子参数以期实现最佳状态。

（6）芯片面积

我们都知道北上广房价飞上了天，但芯片单位面积的价格可比这个贵多了，重节约成本的角度来说我们需要尽可能地减小芯片面积，但是减小面积的同时也需要注意电磁耦合带来的负面效应。

低噪声放大器的设计流程

通识技术

本小节咋门主要聊下如何来掌握低噪声放大器设计索要具备的基础知识，当然由于篇幅原因，很多知识点我们就点到为止，更多的知识，大家随便翻开一本几十年前的射频微波专业书籍就可以看到的，本文主要挑选了如下图所示的几个点，抛砖引玉：

GaAs pHEMT的小信号模型：

我们设计低噪声放大器时常需要考虑寄生参数带来的影响的，为了研究清楚管子内部的电路结构，本文给出一个业界常用的GaAs pHEMT管子小信号模型，该模型对于分析电路的各种参数的分析还是有不错的指导意义的，后续我们设计也将采用该类管子进行设计。

其中gm为管子的有效本征跨导，Rgs为栅源沟道电阻，Rds为漏源输出电阻，绿色虚线框外的电阻Rg，Rs，Rd为管子外围连接金属化时引入的寄生电阻，同理，Lg，Ls，Ld为管子外围连接金属化时引入的寄生电感；Cgd，Cds，Cgs是与管子finger数和偏压有关系的本征电容，在选用管子的栅指数时需要综合考虑截止频率，增益，噪声以及寄生效应等。

低噪声放大器常见架构：

不失一般性，我们这里主要讨论常见的单级放大器架构分类，其他最新的多级放大器架构我们在后续的博文中会提及。

上图为我们在实际工程中常常用到的单级放大器电路结构，共栅放大器可以实现较宽带宽，但是其噪声系数需要有所牺牲；源简并共源放大器结构简单，不过阻抗匹配电路的设计相对要困难一些；Cascode共源共栅放大器结合了两者的优点，但是存在Miller效应，在实际设计时可以增大压缩管的尺寸来降低Miller效应，不过此时会使得漏极的电容增大，引入的噪声加大，因此在选管子需要反复调试，达到多个指标的折中。

稳定性判别圆

在射频微波频段设计放大器与低频不同，在低频主要是通过相位裕度和增益裕度来判定放大器是否稳定，在射频微波频段我们主要通过稳定性判定圆或稳定因子来判定。

在聊放大器的稳定性之前我们玩一个小游戏，我先抛砖引玉一个小问题，大家来思考下：大家都知道，在设计LNA时一般要满足K＞1，|deta|＜1，此时放大器就无条件稳定了，那么这个小问题很简单，就两个字——“为啥”？？？

为了大家不打瞌睡，在分析放大器稳定性时，我们继续忽略具体的推导过程，主要给出一些结论，如果大家有什么不懂的可以加群讨论学习，一起进步。我们还是承接上文中提到的放大器模型，只用保证如下公式即可满足稳定条件（信号在上文网络里面的所以端口均表现为良好的传输特性，没有大于1的情况，因此可以认定其稳定）：

即有：

当我们的放大器的S12较小时，我们就假定放大器为单向放大，此时只用S11与S22的模值小于1，即，此时输入输出端口的反射信号小于入射信号，放大器不会发生自激振荡。不过很多时候，S12不为0，这个时候我们再来分析稳定性相对而言就要复杂一些。

对于放大器网络里面的四个反射系数，我们先假定in和out的一个临界状态，即：

此时，我们可以得到两条分别关于负载反射系数和源端反射系数的两条圆曲线，也就是|Γin|=1，与|Γout |=1分别映射到ΓL与Γs 上面的圆，此时为了对公式看起来更加清爽一些，我们对上面的公式重新变换定义一下：

这里我们就定义了在与平面上面的圆的圆心（实部和虚部）以及圆半径，那么我们就可以这样理解：我们在平面的单位圆绘制出来，然后根据时，可以得到||=|S11|，如果此时|S11|＜1，那么就可以得到的单位圆内部为稳定区，此时对于稳定性判别圆有两种情况：

①输出判别圆||包含圆点（需要注意的是，上面的公式表明输出判别圆是与相关的，输入判别圆是与相关的，这里大家千万别被绕进去了），此时我们可以得到放大器的稳定区为两圆相交处，如下图阴影部分所示：

②输出判别圆||不包含圆点，此时我们可以得到放大器的稳定区为单位圆内且输出判别圆外处，如下图阴影部分所示：

对于输入的稳定圆判定也是相同的道理，本文就不在赘述。下面讨论下绝对稳定的判别圆图解法（公式判别法很简单，就是上文提到的小问题里面的那个），我们知道绝对稳定是放大器稳定的一个特例，主要就是指在频率等一定的条件下，放大器在ΓL和ΓS的整个史密斯圆图内都处于稳定状态。也就是说，ΓL和ΓS选择任意绝对值小于1的数时，均可以保证放大器稳定，反应到稳定性判别圆上来说的话就是当|S11|＜1且|S22|＜1时，放大器满足下面的条件之一时，放大器绝对稳定：

①输出稳定判别圆包含ΓL的单位圆图，输入稳定判别圆包含ΓS的单位圆图，即：

②输出稳定判别圆位于ΓL的单位圆图外，输入稳定判别圆位于ΓS的单位圆图外，即：

等增益圆

在放大器的设计中，为了简化设计流程，同时由于S12与S21相比是很小的，因此我们假设晶体管网络的S12为0，这样可以得到放大器的单向传输得功率增益表达式：

其中

进一步地，我们知道（可以翻开一些教科书去查看相关证明）ΓL，ΓS在不同状态下，可以表达成有着不同的等反射系数圆，进而可以导出等增益圆。如下图所示，等增益圆的用途主要还是在设计放大器增益和噪声时配合使用。

等噪声圆

我们知道放大管的噪声系数的表达式如下所示：

恒噪声系数圆表示了在保持放大器的噪声系数不变的情况下源输入反射系数ΓS的取值范围，同样的道理，等反射系数圆可以表示为：

其中圆心为

半径为

QF为：

最后我们可以得到等噪声系数圆的表现形式，该圆图与等增益圆配合使用，威力无穷

匹配禁区

谈到匹配禁区这个古老的概念，或许我们在日常工程设计中遇到的概率较小，但是一旦工程师们使用二元器件构建L型匹配电路时，那么很有可能就会匹配不了的情况，即，在特定条件下很可能让你的电路端口阻抗处于匹配禁区。

在之前的一期我们谈到了Smith原图匹配的方法，同时给出了如下图所示的示意图和匹配口诀：

并联电感：沿着等电导圆逆时针移动；

并联电容：沿着等电导圆顺时针移动；

串联电感：沿着等电阻圆顺时针移动；

串联电容：沿着等电阻圆逆时针移动。

但是，假如我们采用的是二元器件构建匹配网络，如下图示：

图片来源：《射频电路设计--理论与应用》

那么当我们的端口源与负载阻抗为50欧姆时，此时如下图所示，当匹配电路为L型二元器件时，阴影部分是莫法匹配到50欧姆的：

图片来源：《射频电路设计--理论与应用》

可能又有朋友会问了，大哥，你说得轻巧，这玩意为啥不能匹配啊？嗨，这还得从遥远的Smith原图说起，大家可以参考下上面我们给出的匹配口诀，理解下各个L型匹配禁区的阴影部分取图吧，有问题可以入群讨论。

好了，本文放大器的通识技术部分就到此，通识技术按理说应该还有很多很多，本文就主要节选了部分知识，其他相关的知识，大家下来可以自行查阅，下面我们就将进入流行技术小节。

由于篇幅关系，更多内容请查看本文第二部分：https://www.rfask.net/article-651.html