專欄文章

低雜訊放大器(low-noise amplifier)是接收機中最前端的元件，其特性對於收機的訊號雜訊比(signal-to-noise ratio，SNR)有極大的影響。本文讓我們來看看在GaAs與CMOS積體電路設計毫米波低雜訊放大器的架構與特性有何不同。

低雜訊放大器主要的用途在於將天線所接收到的微弱訊號放大且不增加太多雜訊。因此，低雜訊放大器需要達到高增益與低雜訊。

放大器的設計大多使用共源極(common-source)或疊接(cascode)架構來進行設計。一般來說，共源級架構的增益較低，而雜訊指數也較低；疊接架構的增益較高，但其所產生的雜訊也較大。低雜訊放大器的設計通常是將輸入端匹配至雜訊較低的阻抗，但仍需考量在雜訊匹配(noise matching)下對應的增益(available power gain，G_A)。為了要同時達到較好的雜訊與增益匹配，常見的技巧為使用源極退化電感(source degeneration inductor)，如圖一所示。

圖一、源極電感退化技術

使用GaAs pHEMT製程開發毫米波低雜訊放大器大多以寬頻設計為主。由於電晶體本身的最低雜訊指數在28 GHz附近可以達到1 dB以下，且GaAs製程的被動元件損耗較小，所以GaAs pHEMT的低雜訊放大器即使設計頻寬較寬，也可以達到不錯的雜訊指數與增益。文獻[1]提出使用forward combining架構，將電晶體的汲極與源極訊號經由適當的相移量(phase shift)後接在一起，可以達到雜訊抑制的效果，如圖二(a)所示。在寬頻匹配的部分，則有文獻使用如圖二(b)所示之型匹配網路與如圖二(c)所示之補償匹配的架構^[2]-[3]。型匹配網路式利用多階匹配達到寬頻效果，而補償匹配則是在多級放大器中，各級設計的中心頻率不同，藉此達到寬頻平坦增益的特性。此外，圖二(d)為電阻電容回授式(R-C feedback)架構，亦可達到不錯的寬頻效果^[4]-[5]。只是會對雜訊造成影響，一般會放在後級的設計。

圖二、(a) Forward combining   (b) p型匹配網路

(c) 補償匹配架構   (d) 電阻電容回授式架構

在GaAs低雜訊放大器的設計技術，多數也可以使用在CMOS低雜訊放大器。而在CMOS製程經常使用電感性增益提升(inductive peaking)技術。如圖三(a)所示，在疊接架構的共閘極電晶體的閘極端加上一個電感，可以提升高頻的增益，但須注意其穩定性；而在兩電晶體間加入電感可以與電晶體的寄生電容形成一分布式(distributed)的網路而達到阻抗的匹配；在負載端使用電阻與電感串聯可以使高頻有較高的負載阻抗，進而提升高頻的增益^[6]。此外，在CMOS製程因為有多層金屬可以應用，且金屬層間的間距很小，可以用來實現寬邊耦合(broadside coupled)的變壓器(transformer)。使用雙調諧(double tuned)變壓器可以在較小的面積達到寬頻的匹配^[7]。圖三(b)為使用三線圈的變壓器回授架構同時達到提升轉導與穩定性。變壓器中的L1與L2的相位相反，使M2的閘極與源極跨壓增大，可提升轉導。變壓器中的L2與L3間的磁耦合(magnetic coupling)對M2的閘極到汲極間的寄生電容有中性化(neutralization)的效果，可提升放大器穩定性^[8]。

圖三、(a) 電感增益提升技術   (b) 三線圈變壓器回授架構

表一為參考文獻的特性比較表。GaAs低雜訊放大器中，除了文獻[2]因為設計頻率較高外，其他幾篇的低雜訊放大器最低雜訊指數都可以在2.2 dB以下。而CMOS低雜訊放大器的最低雜訊指數則都在3.1 dB以上。主要是受限於電晶體本身的特性與被動元件的損耗。

表一、毫米波低雜訊放大器比較表

參考文獻

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[2]  Y. Chou, C. Chiong and H. Wang, "A Q-band LNA with 55.7% bandwidth for radio astronomy applications in 0.15-μm GaAs pHEMT process," 2016 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology (RFIT), Taipei, 2016, pp. 1-3.

[3]  P. Ho, C. Chiong and H. Wang, "An ultra low-power Q-band LNA with 50% bandwidth in WIN GaAs 0.1-μm pHEMT process," 2013 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings (APMC), Seoul, 2013, pp. 713-715.

[4]  莊博翔(2018)，毫米波頻段放大器及功率放大器之共模穩定性研究(碩士論文)，國立台灣大學。

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[7]  M. Elkholy, S. Shakib, J. Dunworth, V. Aparin and K. Entesari, "A wideband variable gain LNA with high OIP3 for 5G using 40-nm bulk CMOS," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 28, no. 1, pp. 64-66, Jan. 2018.

[8]  S. Kong, H. Lee, S. Jang, J. Park, K. Kim and K. Lee, "A 28-GHz CMOS LNA with stability-enhanced Gm-boosting technique using transformers," 2019 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), Boston, MA, USA, 2019, pp. 7-10.