射频微波芯片设计7：详解基于ADS的低噪声放大器芯片设计

本文共六部分

1.前 讨论为什么要做低噪音

2.基本概念-知道什么是低噪声

3.通识技术-讨论常见的设计方法

4.流行技术-分析低噪音常见的研究动态

5.基于模拟工具的工程技术演示综合方法

6.结 束 工程文件使用总结和全文总结

（全文阅读大约需要15分钟。如果你能冷静下来，用电脑阅读超过30分钟，并参考这篇文章来设计低噪音放大器，这将是我逐字逐句地编码这篇文章的最大荣幸。我不想像以前那样倾覆，但我想一起进步）

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前言

低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）它通常用于无线电子系统的接收机前端，如我们之前的推文《1.射频微波芯片设计基础知识3万字。在中国，我们详细讨论了射频发射机和接收机的共同结构。在接收系统中，低噪声放大器通常是天线后的第一个组件，其性能直接决定了接收系统的整体噪声系数和灵敏度指标。

打开本地射频IC不难发现，低噪声放大器已经成为该领域排头兵企业的许多发展过程RFIC/MMIC企业成功的奠基石，如某胜微，某电子在射频领域有很多种，可以和国外大厂扳手腕。LNA当然，最近科技创新板上市的很多射频微波公司也有很多低噪音芯片作为核心产品。

言归正传，对于我们的设计开发人员来说，如何设计性能优异、工作稳定的低噪声放大器芯片？当我们得到一个设计任务时，面对我们不熟悉的设计过程和设计方法，是否有一种剪断理性和混乱的感觉：

或者，当我们参考现有的教科书、论文和各种论坛的设计过程时，使用EDA工具一餐操作猛如虎，一次又一次完成Beautiful指标模拟验证，然后经过几个月的漫长电影等待，终于有一天电影回来了，我们满怀期待地走上探针台，准备测试，但当能会看到第一部电影：

绝望的你拍着大腿叹息吗？一顿仿真猛如虎，一看测试成土，低噪声放大器芯片设计似乎已经完成，性能好，工作稳定，成为入门级RFIC/MMIC这个领域必须面对一座不容易逾越的山。

针对上述两个问题，本文的主要目的是：

(1)夯实基础——对于忙碌的一线从业者来说，回顾过去是很常见的LNA基础知识、设计过程、设计思路；

(2)梳理流程——梳理入门萌新人LNA基于设计方法和具体步骤ADS仿真设计LNA芯片工程文件，抛砖引玉，想从事RFIC/MMIC行业朋友提供学习参考；

(3)总结经验——通过具体的案例讲解，介绍了低噪声放大器的最新研究动态和常用的工程实现手段，向员工展示了一些LNA不断提高性能的通道；

全文主要由以下行文组成：

(1)前言部分，作者总结了常见情况LNA基础知识和基本概念；

(2)本节主要讨论基本概念部分LNA概念、性能指标和常见的设计过程；

（3）通识技术部分，主要讲解分析LNA匹配技术、常见架构、等增益圆、等噪声圆、稳定性判断圆；

(4)流行技术部分主要根据最新论文和专利总结LNA研究动态和技术手段；

(5)工程技术部分，为方便大家快速学习LNA设计方法，本文基于0.15 μm GaAs pHMET解释了低噪声放大器芯片的设计理念、设计过程和工程实现方法。最后，我分享了这个基础ADS仿真软件的LNA工程文件及相关使用说明。

基本概念

本节主要回顾一些低噪声放大器的基本知识，包括放大器的定义、常见的测量指标（如稳定因子、增益、噪声系数、功耗、面积等）。我希望你能快速掌握什么是低噪声放大器的问题。

定义低噪声放大器：

低噪声放大器通常用于接收系统的第一级。根据之前博客中接收器灵敏度理论的计算公式，可以得出结论：接收器的灵敏度主要取决于第一级低噪声放大器的噪声系数。

那什么是低噪放呢？

顾名思义，当我们咀嚼文字时，不难发现低噪声放大器首先是放大器，放大器是放大微弱信号的一定倍数，然后放大器主要考虑在放大信号时尽可能小地引入噪声。

低噪声放大器的主要指标：

(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电路产生的噪声来源不清楚，可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现出便利，我们通常使用它dB值来表示噪声，即对上面的噪声F取一个对数

当然，如果读者想深入探讨噪声的来源，可以参考我们上一期的内容《射频电路噪声概论》。接下来，我们节省了中间推导过程（感兴趣的朋友可以参考之前推荐的经典教科书），直接给出单级放大器噪声系数的公式值如下：

其中，NFmin是放大管的最小噪声系数(需要注意的是，NFmin能否调整也是射频板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调整管道的宽度和长度比，以获得噪声、功耗和线性度指标，板射频工程师一般不容易选择设备NFmin调整，这些基本上是我们后续匹配的最佳噪声系数(即NFmin）对应的最佳源反射系数、管道输入端的源反射系数和管道的等效噪声电阻。

当然，在设计低噪声放大器时，我们往往需要更高的增益，而且大多数都需要使用多级联来实现，所以噪声级联公式如下：

从以上公式可以看出，由于放大器的增益，整个放大电路的噪声贡献主要来自一级放大器，因此一级放大器需要良好的噪声系数和增益。

(2)放大器的增益

如上图所示，我们将放大器晶体管（场效应管）等效为S参数矩阵，然后绘制其信号流图，然后为了概述简单，避免大家头晕，本文没有详细介绍具体的推导过程，这里主要给出一些增益表达和简单的解释：

信号源的资用功率：输入阻抗和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最大化。此时，我们可以称输入口为信号源的唯一功率（主要是因为我们应该使用后续定义放大器相关增益的概念）：

转换功率增益：我们到负载的功率与信号源的资用功率之比称为转换功率增益。怎样理解？事实上，就像我们出生时一样，命运给了我们最好的礼物（放大网络，获得信号源的资本功率）。至于我们是否意识到并得到我们想要的目标，这取决于我们的个人实践。当生命到达终点时，回顾我们走过的生命，我们得到的与出生时的比例是我们转换功率的增益。根据上图的定义和信号流图，我们可以获得以下转换功率增益的表达式：

单向功率增益：当放大器反馈效应的影响被忽略时，即承担上述额转换功率增益S12=0.这也是我们分析放大器工作和输入输出匹配的基础。我们可以表达单向功率增益：

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：这一定义更直接、更清晰，即负载吸收功率与放大器输入功率的比值：

(3)工作带宽

工作带宽的定义在我们之前耦合器芯片本文介绍了我们的放大器的带宽定义，根据传输函数曲线的最高观测值也可以降低1dB和3dB定义1有两种方法dB带宽和3dB带宽：

（4）1dB压缩点与三阶交调点

关于1dB压缩点和三阶交调点的定义我们以前《1.射频微波芯片设计基础知识3万字。本文还提到，如下图所示：

通常关注放大器实际增益低于理论线性增益1dB位置称为1dB增益缩点。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分别映射到与上面的圆，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ΓL与Γs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ΓL=0时，可以得到|Γin|=|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|Γin|包含圆点（需要注意的是，上面的公式表明输出判别圆是与ΓL相关的，输入判别圆是与Γs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|Γin|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。

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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《射频微波芯片设计》系列文章将持续更新，安排如下图所示：

作者：RFIC_抛砖

掌握基本的射频微波理论知识；熟练使用 HFSS、ADS、SONNET、Cadence（virtuoso，calibre）、EMX等电磁仿真以及射频芯片设计软件；熟悉CMOS、GaN、GaAs、IPD 等多个厂家的工艺；具有多次射频/微波/毫米波前端芯片的流片成功经验。

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