《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。

流行技术

谈到流行技术不是说这些技术本身有多么地特别，多么流掰，而是针对特定需求，大家目前比较关注的一些设计方法和技巧。当然，目前市面上的射频微波IC公司的竞争趋于白热化，很多公司已经开始二轮甚至N轮融资阶段，在未来几年除了头部企业也将倒下一批批初创公司（有核心竞争力的或被合并），之前靠有名校&名企经历的创始人背书，针对市场已有芯片产品做局部工作，即，通过做产品出来靠拼成本来替换别家产品的模式（当然这个是也是之前“国产替代”主旋律），将会逐渐变得苍白无力，在目前甚至说在未来很长一段时间，一款性能独特的具备跨代竞争力的射频芯片将会是公司突出红海重围的一大着力点，当然于工程师而言，具备成功的流片经验以及能够把握住产品的研究热点&卖点，也会是咋门安身立命&升职加薪的一大利器，本文抛砖引玉，主要介绍如下几种较为流行的技术，以飨读者朋友们：

（1）噪声消除技术

早在2004年由荷兰Twente大学的Ferico Bruccoleri（目前在Catena Microelectronics任职）提出了一种噪声消除的技术，其核心思想就是通过引入辅助的放大支路，有效地消除电路主路中的场效应管（晶体管）的沟道噪声，进而降低噪声系数。Ferico Bruccoleri在2005年著有《Wideband Low Noise Amplifiers Exploiting Thermal Noise Cancellation》一书，书中详细地解释了关于低噪声放大器中的噪声来源以及如何有效消除，大家感兴趣可以去自行下载查阅，当然也可在文末扫描码加小编好友，免费索取。

由于篇幅原因，本篇博文就简单聊下噪声消除技术引入的主要背景：其实我们阅读相关噪声消除技术的由来可以发现，其技术的引进主要是用于无电感的宽带低噪声放大器结构中（射频低频端的电路隔交或者匹配电感较大，比较占面积，因此利用无电感技术可以实现芯片面积的压缩），这类低噪声放的一个显著特征就是利用了放大管自身的一些特性来实现宽带和阻抗匹配，但是由于采用了有源管子来实现匹配，必然会引入额外的噪声，此时我们就需要想办法尽可能地消除掉该噪声，此时噪声消除技术运营而生。

那么噪声消除技术到底是怎么实现的呢？如上文提到的，基于Ferico Bruccoleri提出的核心思想，后期的研究者们不断地演变了各种实现方法，在文献1（文献ID见文末）中，聊到了典型的噪声消除LNA，如下图所示：

                               （a）                                                                         (b)

图片来源：文献1

其中(a)为典型的电阻串联负反馈结构的LNA，利用反向放大管选取合适的输出节点得到反相的噪声和同相信号，最后矢量叠加便可以消除噪声。而对于（b）中则是一个差分输出结构，利用输出有源管实现对CG管的宽带匹配，然后噪声相位不变但是在差分口可以将其抵消。进一步地，为了实现在较为宽带的范围内实现噪声消除，在文献2（文献ID见文末）中，提到了多路噪声相消的技术，如下图所示:

图片来源：文献2

那么国内最近几年对噪声消除技术的研究也较多，比如2017年清华大学的Zhijian Pan博士发表在TCAS-I上面的一文（文献3，文献ID见文末），利用交叉耦合Push-pull结构实现了0.1GHz~4.3GHz的无电感低噪声放大器，同时采用有源管进行噪声消除，实现了全频段最小噪声小于3.5dB，通过无电感处理实现了整体芯片面积小于0.05mm2。

图片来源：文献3

除此之外，2017年电子科技大学Benqing Guo博士发表在JSSC上的文献4（文献ID见文末）以及该校Zhixian Deng博士在2021年发表在JSSC上的文献5（文献ID见文末）也值得一看。

那么，朋友们又会问了，既然噪声消除技术这么好使，为啥我们的放大器在设计的时候还是有不小的噪声啊？而且甚至有些微波毫米波LNA就算用了噪声消除技术，貌似还没有传统的CG或者Cascode结构的噪声好，这是为啥？？？这个问题大家可以自己想一想，也可以参考上一期我们聊到的噪声来源，去分析到底消除的是什么噪声，除此之外，我们还要弄明白我们之所以使用噪声消除技术的初衷（duang~duang~duang提示：芯片面积，带宽，噪声）。

（2）超宽带（UWB）技术

相信大家对UWB技术还是不陌生的，就在一两年前，我们就还常常看到这样的新闻“搭载UWB技术的iPhone可以对AirTag实现更加精准的定位”，“基于“一指连”小米UWB技术，智能设备具有空间感知能力”，UWB技术曾经在工业级的多模式、多系统融合中扮演着举重轻重的作用，而如今又被iPhone的精准定位技术重新点燃了大家对其消费电子领域的应用热情。一般而言，我们的UWB技术由于其抗多径抗干扰能力突出，穿透力强，因此在室内高精度定位，加密、身份认证以及通信测距等领域都有着广阔的应用前景。

国内目前UWB芯片赛道的公司也挺多，特别是2022年，由深圳市纽瑞芯科技发表在ISSCC上面的一篇1发3收UWB超低功耗芯片值得大家关注：

回到UWB LNA上来，下面我们将来聊聊类似六脉神剑的UWB放大器设计的招式（本文主要给出六种招式，招式不分先后高低，大家请按需学习，不要走火入魔）：

第一式——负反馈式

说到负反馈式，一般我们会有并联电阻负反馈，基于变压器的负反馈，以及有源负反馈结构。大家伙儿在看N多年前的教科书的时候，最为熟悉的莫过于并联电阻负反馈式的架构，该电路设计简单，调试方便，可以实现多倍频程的LNA，是大多数UWB LNA的较好选择，为了给大家一个领进门的直观感受，这里给出一篇2018年的发表在IEEE TCAS-I上面的一款基于0.15um GaAs pHEMT工艺的DC~20GHz并联电阻负反馈式低噪声放大器，该文献6（文献ID见文末）具体如下图所示：

图片来源：文献6

当然，除了并联电阻负反馈，我们在设计中也可以采用有源负反馈来实现，比如加拿大CIENA公司的Mahdi Parvizi 等人于2016年发表在IEEE TMTT上面的文献7（文献ID见文末），利用有源反馈拓展带宽，实现了一款工作在0.1~2.2GHz的LNA，同时为了减小功耗，有源负反馈复用了输入放大管的电流，整个芯片功耗为0.4mW，文献7中的LNA具体电路结构如下图所示，该芯片面积为0.0052mm2：

图片来源：文献7

第二式——分布式

说到UWB放大器技术，其中最为简单粗暴的莫过于分布式技术了，该技术虽然功耗较大，但是可以实现DC到上百GHz的超级宽带的LNA，该类放大器实现超宽带的核心原理在于将有源管处理成一个电容，通过外接电感，实现把整个放大器等效为传输线的效果（一般传输线的工作带宽是很宽的）。

为了形象地展示该技术的可实现性，这里给出一篇2020年发表在IEEE MWCL上面的参考文献8（文献ID见文末），在文献8中，作者Omar El-Aassar利用45nm RFSOI CMOS工艺实现了一款工作在DC~120GHz的放大器，整个芯片面积在0.51mm2，而其输出饱和功率在20GHz、40GHz、60GHz实测值均超过21dBm。

图片来源：文献8

第三式——电感峰化式

早在上世纪40年代，我们日常生活中见到的电视显像管中便有了电感峰值技术增大带宽的身影。那么电感峰化拓展带宽的核心点就在于将放大器的多个传输极点按需分布在宽频带范围内，进而拓展带宽。同样，我们这里给出一篇于2006年发表在IEEE JSSC上面的一篇参考文献9（文献ID见文末），该文献利用0.18um CMOS工艺，利用漏极多电感峰化传输响应曲线，最终实现了一款1.3~10.7GHz的超宽带低噪声放大器。

图片来源：文献9

第四式——共栅（基）结构式

共栅（基）结构因其输入阻抗为1/gm，我们只用稍微调整下放大管的栅指，栅宽就可以实现对输入阻抗的良好匹配，进而实现宽带的效果，但是其噪声系数相对与共源（射）结构要大一些，因此这是一个折中的设计过程。

同样，我们这里给出一篇于2013年发表在IEEE TMTT上面的参考文献10（文献ID见文末），该文献采用0.18um CMOS工艺，利用共栅技术与双反馈交叉耦合技术相结合，实现了一款工作在2.2~12.2GHz的超宽带低噪声放大器，该放大器噪声系数全频段小于2.6dB，功耗为7.4mW，IIP3在0dBm左右：

图片来源：文献10

感谢您能耐心看到此处，希望上面的文章内容对您有一点点帮助（如果你是快速滑动手机到此处的，没关系，精彩继续），后文安排如上图所示，将继续介绍最新的LNA技术动态，演示LNA的工程实现方法，力争完整呈现LNA的设计过程，也希望能得到您的持续阅读。

当然，文中很多知识点可能没有抽包华子的快感，也没有喝杯茅子的畅爽，本文主要以总结提炼、引导为主，力争成为你的家庭教师，不求倾盖如故，但求一起进步（不敢想，现在小学生补习费已经100元+/小时了)。当然绝大多数人还是喜欢白嫖的，免费的东西鲜有珍惜，为此大家喜欢本文就支持下，继续阅读后文的LNA具体设计，不喜欢划过就OK，一切随缘。

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作者：RFIC_抛砖

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