《面向5G应用的射频电路：使用毫米波电路进行设计》书籍简介

《面向5G应用的射频电路：使用毫米波电路进行设计》

《5G 应用射频电路：利用毫米波电路进行设计》一书提供了有关 5G 应用射频电路设计和实现的信息，重点关注毫米波电路。 该书共 340 页，由 John Wiley & Sons Inc. 出版。

本书讨论了第五代 (5G) 通信网络基于 FinFET 的模拟 IC 设计，重点介绍了毫米波集成电路设计领域的最新进展、问题和挑战，同时介绍了最新的研究成果。

无线通信行业正在经历指数级扩张，特别是在移动数据和 5G 移动网络领域，为设计行业所需的集成电路 (IC) 创造了新的市场可能性。 本书借鉴科学文献和实际实现，探讨了 5G 通信网络基于 FinFET 的模拟 IC 设计，并考虑了最新的突破和障碍。 它还介绍了 5G 通信电路的最新研究趋势和未来路线图。

适用于 5G 应用的射频电路包括设计这些电路时要考虑的设计指南及其有害的缩放效应。 此外，为了增强本书的可用性，编辑还纳入了RFIC设计中的实时问题和实验结果的案例研究，以及明确划分的5G通信IC设计指南。

毫米波全集成放大器增益带宽增强技术：RLC Tank（RLC 槽）

RC低通滤波器

利用 RLC 槽的毫米波全集成放大器的增益带宽增强技术是积极研究和开发的一个主题。 毫米波频率通常定义为 10 GHz 以上的频率，为 5G 和超 5G 无线通信系统中的高速数据传输提供了巨大潜力。 然而，高频也给放大器设计和性能带来了重大挑战。

毫米波放大器的主要限制之一是其增益和带宽特性。 增益是指放大器放大输入信号的能力，而带宽是指放大器保持其增益和其他性能指标的频率范围。 毫米波频率对放大器增益和带宽提出了严格的要求，因此很难同时实现这两者。

RLC 储能电路已被提议作为增强毫米波全集成放大器增益带宽性能的解决方案。 RLC 谐振回路本质上是由电阻器、电容器和电感器组成的并联谐振电路，经过调谐以在特定频率下谐振。 它们可用于在谐振频率下对放大器进行阻抗匹配，从而改善增益和带宽特性。

RLC 带通滤波器

RLC 槽可以使用片上组件来实现，从而能够集成到单片微波集成电路 (MMIC) 或用于毫米波应用的其他类型的集成电路中。 考虑到所需的增益和带宽要求，谐振腔可以设计为在放大器的工作频率下谐振。 还可以对坦克进行调整，以优化放大器的输入和输出匹配，进一步增强其性能。

在毫米波全集成放大器中使用 RLC 回路可以在增益带宽增强方面提供显着的优势。 然而，它们也给设计带来了额外的复杂性，并且需要精确的调节和控制才能实现最佳性能。 未来的研发工作将集中于开发更高效、更可靠的 RLC 谐振回路设计，以满足毫米波放大器的特定要求，同时克服这些挑战。

毫米波全集成放大器增益带宽增强技术：耦合谐振器（Coupled Resonators）

两级级联放大器

利用耦合谐振器的毫米波全集成放大器的增益带宽增强技术是一个活跃的研究和开发领域。 毫米波频率通常定义为 10 GHz 以上的频率，为 5G 和超 5G 无线通信系统中的高速数据传输提供了巨大潜力。 然而，高频也给放大器设计和性能带来了重大挑战。

毫米波放大器的主要限制之一是其增益和带宽特性。 增益是指放大器放大输入信号的能力，而带宽是指放大器保持其增益和其他性能指标的频率范围。 毫米波频率对放大器增益和带宽提出了严格的要求，因此很难同时实现这两者。

耦合谐振器已被提议作为增强毫米波全集成放大器增益带宽性能的解决方案。 耦合谐振器本质上是两个或多个谐振器耦合在一起以形成更高阶的滤波器网络。 谐振器被调谐为在特定频率下谐振，并且可以控制它们的耦合强度以优化滤波器响应。

放大器之间的耦合设计

耦合谐振器可以使用片上组件来实现，从而能够集成到单片微波集成电路 (MMIC) 或用于毫米波应用的其他类型的集成电路中。 考虑到所需的增益和带宽要求，谐振器可以设计为在放大器的工作频率下谐振。 谐振器还可以耦合在一起以实现所需的滤波器响应，从而进一步增强放大器的性能。

在毫米波全集成放大器中使用耦合谐振器可以在增益带宽增强方面提供显著的优势。 然而，它们也给设计带来了额外的复杂性，并且需要精确的调节和控制才能实现最佳性能。 未来的研发工作将集中于开发更高效、更可靠的耦合谐振器设计，以满足毫米波放大器的特定要求，同时克服这些挑战。

毫米波全集成放大器增益带宽增强技术：基于变压器（ Transformers）的谐振器

基于变压器（ Transformers）的耦合谐振电路

利用基于变压器的谐振器的毫米波全集成放大器的增益带宽增强技术是一个活跃的研究领域。 变压器是频率相关的电压放大器，可用于在射频和微波范围内实现电压增益和隔离。 这些谐振器设计用于在特定频率下谐振，从而为毫米波放大器提供增强的增益和带宽性能。

变压器的主要优势之一是能够在输入和输出端口之间提供高度隔离，从而实现低噪声和高效率放大器的设计。 基于变压器的谐振器可以设计成具有低损耗和高品质因数，从而实现窄带和高 Q 响应。 Q 因子是谐振器性能的衡量标准，定义为存储能量与耗散能量的比率。

在毫米波全集成放大器中，变压器可用于耦合放大器级的输入和输出端口，提供隔离和电压增益。 基于变压器的谐振器还可用于通过在特定频率和阻抗匹配条件下谐振来增强增益带宽性能。

带宽增强技术

基于变压器的谐振器可以使用片上组件来实现，从而可以将其集成到单片微波集成电路（MMIC）或用于毫米波应用的其他类型的集成电路中。 考虑到毫米波放大器的具体要求，可以优化变压器的几何形状和材料，以实现谐振器所需的性能特征。

尽管基于变压器的谐振器在毫米波全集成放大器设计中具有潜在优势，但与传统设计相比，它们也带来了额外的复杂性。 未来的研究工作将集中于开发更高效、更可靠的基于变压器的谐振器设计，以满足毫米波放大器的特定要求，同时克服这些挑战。

低噪声放大器：RFIC 基础

LNA的原理框图

低噪声放大器 (LNA) 是射频 (RF) 系统不可或缺的一部分，特别是在接收器中，它们用于放大微弱信号并增强系统的整体性能。 定义 LNA 性能的两个主要指标是噪声系数 (NF) 和增益。

噪声系数是放大器产生的噪声的量度，以分贝 (dB) 表示。 它量化了放大器输出端相对于信号功率的噪声功率量。 低噪声系数表示相对于信号功率的噪声功率较低，表明噪声性能较低。

另一方面，增益是指放大器提供的信号功率放大量。 在射频系统中，接收到的信号可能非常微弱，因此需要具有高增益的放大器来提高信号功率而不引入额外的噪声。

LNA 旨在最大限度地提高特定工作条件下的噪声系数和增益。 通过最小化放大器内产生的噪声来优化噪声系数，同时通过适当设计放大器以实现所需的电压增益来最大化增益。 然而，这两个指标经常相互权衡，因为增加增益通常会导致噪声系数增加，反之亦然。

理想的LNA框图

LNA 的设计涉及选择适当的晶体管配置和偏置条件，以最小化噪声并最大化增益。 此外，匹配网络用于优化放大器的输入和输出阻抗，以确保最大功率传输和最小反射。

在 RFIC 实现中，LNA 通常使用 A 类或 B 类模式偏置的 RF 晶体管来实现，以实现高增益和低噪声。 RFIC 技术的使用允许将低噪声放大器与其他 RF 组件进行单片集成，从而形成紧凑且可靠的 RF 系统。

设计人员还必须考虑将 LNA 连接到系统其余部分的输入和输出匹配网络。 这些网络通过将 LNA 的阻抗与系统其余部分的阻抗相匹配，有助于最大限度地提高功率传输并最大限度地减少反射。 它们通常使用射频传输线或谐振器来实现。

实际应用中非理想非线性的LNA框图

LNA 的运行还受到其运行频率和功率处理能力的影响。 在较高频率下，传输线和其他组件的损耗会限制 LNA 的性能，而在较高功率下，晶体管的非线性会导致失真并降低系统性能。

针对特定应用的 LNA 设计需要深入了解 RF 系统行为、晶体管物理原理和电路设计原理。 它涉及噪声系数、增益、线性度、功耗和成本等之间的权衡，以在给定的约束内实现所需的性能

低噪声放大器：MOSFET的结构

MOSFET的小信号模型

采用 MOSFET 晶体管的低噪声放大器 (LNA) 因其能够放大微弱信号并增强系统性能而广泛应用于 RFIC 和微波应用。 基于 MOSFET 的 LNA 的结构通常包括三个关键元件：晶体管、偏置网络和输入/输出匹配网络。

MOSFET晶体管构成LNA的核心，充当放大元件。 它具有源极、漏极和栅极端子，栅极端子控制源极和漏极端子之间的电流流动。 使用偏置网络对晶体管进行偏置，偏置网络提供必要的直流电压，使晶体管在所需区域运行，实现低噪声运行。

偏置网络通常设计用于将晶体管维持在线性状态以实现低噪声操作。 它还将晶体管偏置在跨导最大化的点，以实现最大增益。 输入和输出匹配网络用于将 LNA 的阻抗与系统进行匹配，以确保最大功率传输和最小反射。

在基于 MOSFET 的 LNA 中，输入匹配网络通常使用 RF 传输线或谐振器来实现，以转换晶体管的输入阻抗以匹配系统阻抗。 类似地，输出匹配网络使用射频传输线或谐振器来转换晶体管的输出阻抗以匹配系统阻抗。

基于 MOSFET 的 LNA 的性能通常由其噪声系数 (NF)、增益和线性度来表征。 噪声系数量化了 LNA 在其输出端生成的噪声功率量，而增益则测量了 LNA 提供的信号功率放大量。 线性度是指 LNA 放大信号而不引入非线性失真的能力。

基于 MOSFET 的 LNA 的设计涉及这些指标之间的权衡，其中噪声系数和增益对于弱信号放大应用尤为重要。 最佳设计需要在噪声系数和增益之间取得平衡，同时还要考虑晶体管技术和电路拓扑所施加的限制。

低噪声放大器：带宽估计技术

计算短路时间常数的MOSFET小信号模型

拉普拉斯变换是一种数学方法，常用于分析和设计电子电路。通过将时域（time domain）的电路响应转换为复频率域（complex frequency domain），拉普拉斯变换能够提供有关电路性能的更多信息，例如放大器的增益、带宽等。

在分析放大器的带宽时，通常关注其频率响应。放大器的频率响应由其传递函数描述，该函数表示输入信号的频率对输出信号的影响。传递函数的形式可能因放大器的类型而异，但通常包含一些极点和零点。

"极点"和"零点"是电路分析中的重要概念。极点和零点是由于电路元件（如电阻、电容、电感）的物理特性所引起的。在拉普拉斯变换中，极点和零点通常对应于复平面的特定点，这些点表示在特定频率下信号的增益或相位发生改变的频率点。

在实际的电路分析中，可以通过测量放大器在不同频率下的增益和相位响应来确定其极点和零点。这种方法通常需要使用网络分析仪或其他频率测量设备。通过将测量的数据拟合到一个理论模型中，可以估计放大器的带宽。

宽带放大器设计的电路考虑

因此，拉普拉斯变换在低噪声放大器的带宽估计中起着重要作用，它可以将复杂的时域问题转换为复频率域问题进行分析，同时极点和零点的概念也是理解放大器频率响应的关键。

电路时间常数是描述一个电路响应速度的参数。在放大器中，它会影响带宽。带宽在这里可以理解为放大器可以处理的频率范围。带宽越宽，可以处理的信号频率越高。

电路时间常数和带宽之间的关系可以通过以下公式描述：

f_3dB = 1 / (2πRC)

其中，f_3dB 是带宽（以赫兹为单位），R 是放大器或电路的电阻（以欧姆为单位），C 是电路中的电容（以法拉为单位）。从这个公式可以看出，电路的时间常数（TC = RC）会影响带宽。时间常数越大，带宽越低；时间常数越小，带宽越高。

在实际应用中，我们需要根据需要选择适合的时间常数和相应的放大器。例如，如果我们想要处理非常微弱的信号，并且信号的频率可能很高，我们可能需要选择一个具有较小时间常数和相应较高带宽的放大器。

低噪声放大器：宽带放大器设计

宽带放大器设计

低噪声放大器 (LNA) 是射频 (RF) 和微波系统中的重要组件，用于放大微弱信号并增强系统性能。 LNA 的宽带放大器设计涉及噪声系数、增益、带宽和线性度之间的权衡。 以下是设计宽带 LNA 的一些关键考虑因素：

1. 晶体管的选择：LNA 使用的晶体管类型对其性能有重大影响。 对于宽带操作，需要具有高跨导的小信号晶体管来实现高增益和带宽。

2. 输入和输出匹配：输入和输出匹配网络对于LNA 的宽带操作至关重要。 它们确保放大器在所需频率范围内具有平坦的增益响应，同时保持低噪声系数。

3. 噪声系数优化：LNA的噪声系数是放大器噪声性能的衡量标准。 优化噪声系数以确保放大器在放大微弱信号时引入最小的噪声非常重要。

4. 带宽补偿：为了实现宽带操作，可能需要补偿放大器的频率相关增益响应。 这可以通过使用有源或无源补偿技术来平坦化所需频率范围内的增益响应来完成。

5. 线性度考虑：LNA 的线性度对于避免放大信号失真非常重要。 对于宽带操作，必须确保放大器在最高操作频率下保持线性。

6. 封装选择：为LNA选择的封装对其性能有重大影响。 选择能够提供良好散热、低寄生效应以及适合宽带操作的输入和输出阻抗的封装非常重要。

7. 布局考虑：LNA 电路的布局对于实现宽带性能起着至关重要的作用。 重要的是要考虑接地、寄生元件和电磁相互作用，以确保在较宽的频率范围内具有良好的性能。

8. 工艺注意事项：LNA 电路的制造工艺也会影响其性能。 选择一种能够提供良好器件匹配、低寄生效应和高产量的工艺以实现可靠的宽带运行非常重要。

9. 直流偏置：LNA 晶体管的直流偏置对于在所需频率范围内实现稳定运行和良好性能至关重要。 仔细选择偏置方案和相关组件非常重要，以确保稳定运行，同时实现低噪声系数和高增益。

10.稳定性考虑：LNA的稳定性对于确保其在正常工作条件下不振荡非常重要。 有必要采取诸如使用稳定反馈电路或频率域的方法（例如使用适当的去耦合和滤波器设计）等措施来解决小区不稳定的情况。

宽带放大器的模型

设计宽带 LNA 时，必须考虑这些关键因素并在它们之间进行权衡，以在所需频率范围内实现最佳性能。

宽带放大器设计：使用电感与看向负载的电阻器阻抗串联来设计宽带放大器

共源极放大器的电路

设计宽频带放大器时，通常会考虑在电阻中串联电感以优化阻抗特性。在这种情况下，负载的阻抗会与电感串联电阻的阻抗以及放大器输入阻抗之间相互影响。以下是一些步骤，帮助你设计一个宽频带放大器，其中包含一个串联电感的电阻：

1. **明确放大器的增益和带宽需求**：首先，确定所需的电压增益和带宽。电压增益取决于电阻、电感、放大器输入阻抗以及负载的阻抗。而带宽则由放大器输入阻抗、电阻、电感以及负载的阻抗共同决定。

2. **选择合适的电阻和电感**：电阻和电感值的选取会影响到放大器的增益和带宽。根据所需的电压增益和带宽，选择合适的电阻和电感值。

3. **计算并联阻抗**：将电感与电阻串联起来，可以形成一个并联阻抗。这个并联阻抗会影响到放大器的增益和带宽。利用适当的公式，计算并联阻抗的值。

4. **选择合适的放大器输入阻抗**：放大器的输入阻抗会影响到电压增益和带宽。选择一个具有适当输入阻抗的放大器，以确保与电阻和电感串联的阻抗匹配。

5. **计算负载的阻抗**：负载的阻抗会影响到放大器的性能。根据所需的电压增益和带宽，选择一个具有适当负载阻抗的负载。

6. **校准并测试**：完成设计后，进行校准和测试以确保放大器在所需的频率范围内工作正常，并且满足电压增益和带宽的要求。

宽带放大器的电路设计考虑

需要注意的是，宽频带放大器的设计是一个复杂的过程，需要考虑到多种因素，如电阻、电感、放大器输入阻抗以及负载的频率响应等。因此，可能需要多次迭代和优化设计以满足所有要求。

低噪声放大器：噪声

电阻噪声模型

低噪声放大器（Low-Noise Amplifier，LNA）主要的作用是在无线通信和射频系统中放大输入信号，同时最小化噪声引入，以提高系统的灵敏度和接收性能。

在LNA的设计和制造过程中，必须考虑到多种来源的噪声。这些噪声源可能包括电阻热噪声、散弹噪声、闪烁噪声、宇宙噪声等。这些噪声会影响到LNA的性能，因此必须采取措施来减小它们。

为了减小电阻热噪声，可以使用更低的电阻值。为了减小散弹噪声，可以使用更小的电阻值和更长的电阻长度。为了减小闪烁噪声，可以使用更小的电阻值和更短的电阻长度。为了减小宇宙噪声，可以使用更小的电阻值和更短的电阻长度，或者使用更好的屏蔽材料。

除了这些噪声源外，LNA还受到其他因素的影响，如信号源阻抗、信号频率、电源电压等。因此，在设计和使用LNA时，必须考虑到这些因素，以确保LNA的性能达到最佳。

沟道噪声模型

MOSFET的噪声主要来自其三个端口：源极、漏极和栅极。其中，栅极噪声（Gate noise）是MOSFET噪声的主要组成部分。

栅极噪声主要来自沟道中的热噪声和散粒噪声。沟道中的热噪声是在电子的热运动中产生的，而散粒噪声是由于随机载流子的过阈和沟道中随机产生和复合的电子空穴对导致的。

芯片设计中三极管周围的保护环

在MOSFET中，沟道噪声是一种重要的噪声源，主要可以包括以下几种类型：

热噪声(Thermal Noise)：正如在电阻中一样，电子在沟道中与热激发的原子发生随机碰撞，引起电流波动，产生热噪声。

散粒噪声(Shot Noise)：在MOSFET中，散粒噪声主要与沟道中随机越过势垒的载流子有关。当载流子越过PN结时，它们的数量会发生随机变化，导致流过势垒的电流在其平均值附近随机涨落，从而产生散粒噪声。

闪烁噪声(Flicker Noise)：闪烁噪声主要与半导体表面的不完美有关。半导体表面的粗糙度、缺陷以及其他不规则性可能导致电子在沟道中的运动受到阻碍，从而引起电流波动，产生闪烁噪声。

这些噪声源在MOSFET中的具体表现会受到器件的工作状态、设计和环境因素的影响。因此，为了降低这些噪声的影响，优化器件设计、选择合适的操作条件以及采取噪声抑制技术都是非常关键的。

LNA的不同拓扑以及它们模型和设计

LNA的建模

1.LNA的不同拓扑：共源拓扑

共源拓扑是低噪声放大器 (LNA) 最常用的拓扑之一。 它是一个三端放大器，输入信号施加到晶体管的栅极端子，输出信号取自漏极端子。 与其他拓扑相比，公共源拓扑具有许多优点。

首先，共源拓扑具有非常高的输入阻抗，这意味着它对输入信号源的源阻抗不敏感。 这意味着源可以是高阻抗传输线或低噪声同轴电缆，这有助于最大限度地降低放大器的噪声系数。

其次，共源拓扑具有非常低的输出阻抗，这意味着它可以驱动各种负载，而不会显著降低性能。 这意味着很容易将放大器的输出与下一级的输入相匹配，这有助于最大限度地减少反射和损耗。

带有匹配网络的LNA建模

第三，共源拓扑的增益带宽积大约等于晶体管的跨导乘以频率。 这意味着对于给定的跨导和频率，具有较高增益的放大器将具有较高的噪声系数，反之亦然。 这种关系使得可以轻松权衡给定应用的增益和噪声系数。

然而，共源拓扑也存在一些缺点。 首先，与其他拓扑（例如共源共栅拓扑）相比，它可以具有相对较低的增益带宽积。 其次，与其他拓扑相比，它对 IC 制造过程中的工艺和温度变化更加敏感，这可能导致良率损失和更高的制造成本。 最后，由于晶体管的 1/f 噪声，公共源拓扑在低频下可能具有较高的噪声系数，这可能会限制其在某些应用（例如 RF 接收器）中的使用。

2.LNA的不同拓扑：并联串联放大器

并联串联放大器是一种低噪声放大器 (LNA)，它使用反馈拓扑来实现低噪声性能。 在此拓扑中，放大器的输出通过反馈电阻连接到输入，这使得放大器能够放大输入信号，同时降低噪声。

用串并放大器设计LNA

并联串联放大器通常使用场效应晶体管（FET）或双极晶体管作为放大器中的有源器件。 晶体管的源极或发射极连接到输入信号，而漏极或集电极连接到放大器的输出。 反馈电阻连接在放大器的输出端和晶体管的输入端之间。

与其他 LNA 拓扑相比，该拓扑有几个优点。 它设计简单，可以使用标准集成电路 (IC) 工艺轻松实现。 并联串联放大器还具有良好的噪声性能和高增益，使其适合用于雷达和无线通信系统等高灵敏度应用。

用串并放大器设计LNA的模型图

然而，这种拓扑也有一些缺点。 反馈电阻会导致插入损耗，从而降低放大器的整体增益。 此外，反馈电阻器还会导致频率相关的增益和相位误差，这在某些应用中很难补偿。 因此，在选择LNA拓扑时，设计者需要根据具体的应用需求来考虑这些因素。

3.LNA的不同拓扑：共栅拓扑

共栅拓扑的LNA的设计示意图

共栅拓扑是低噪声放大器 (LNA) 最常用的拓扑之一。 它是一个三端放大器，输入信号施加到晶体管的源极端子，输出信号取自漏极端子。 与其他拓扑相比，共栅拓扑具有许多优点。

首先，共栅拓扑具有非常低的输入阻抗，这意味着它对输入信号源的源阻抗敏感。 这有助于提高噪声系数性能，尤其是在源阻抗较低的高频下。

其次，共栅拓扑具有非常高的输出阻抗，这意味着它可以驱动各种负载，而不会显着降低性能。 这是因为输出信号取自晶体管的漏极端子，这实际上是直流电流的开路。

第三，共栅拓扑的增益带宽积大约等于晶体管的跨导乘以频率。 这意味着对于给定的跨导和频率，具有较高增益的放大器将具有较高的噪声系数，反之亦然。 这种关系使得可以轻松权衡给定应用的增益和噪声系数。

然而，共栅拓扑也存在一些缺点。 首先，与其他拓扑（例如共源共栅拓扑）相比，它可以具有相对较低的增益带宽积。 其次，与其他拓扑相比，它对 IC 制造过程中的工艺和温度变化更加敏感，这可能导致良率损失和更高的制造成本。 最后，由于晶体管的 1/f 噪声，共栅拓扑在低频下可能具有较高的噪声系数，这可能会限制其在 RF 接收器等某些应用中的使用。

4.LNA的不同拓扑：电感源极退化（Inductive source degeneration）

感性源极退化拓扑的LNA设计

感性源极退化是一种可用于提高低噪声放大器 (LNA) 性能的拓扑。 在此拓扑中，电感器连接在放大器的输入端子和接地端子之间。 电感器有助于增加放大器的输入阻抗，同时还降低噪声系数。

此拓扑中使用的电感器通常使用高 Q 值材料（例如铜或银）制成，并且电阻远低于放大器的输入阻抗。 使用引线键合或其他合适的连接方法将电感器连接到放大器的输入端子。

与其他 LNA 拓扑相比，该拓扑有几个优点。 增加的输入阻抗有助于减少输入端的容性负载，从而可以改善放大器的噪声性能。 此拓扑中使用的电感器还可以帮助滤除输入信号中的噪声，从而进一步降低噪声系数。

此外，这种拓扑结构有助于提高放大器在宽频率范围内的增益平坦度和稳定性。 电感源简并拓扑对 IC 制造中的工艺变化也相对不敏感，这使其成为 LNA 大批量生产的良好选择。

然而，这种拓扑也有一些缺点。 此拓扑中使用的电感器会导致插入损耗，从而降低放大器的整体增益。 此外，电感器还会导致频率相关的增益和相位误差，这在某些应用中很难补偿。 因此，在选择LNA拓扑时，设计者需要根据具体的应用需求来考虑这些因素。

5.LNA的不同拓扑：共源共栅（Cascoded） LNA拓扑

共源共栅（Cascoded） LNA 拓扑的LNA设计

共源共栅（Cascoded） LNA 拓扑是一种可用于提高低噪声放大器 (LNA) 性能的拓扑。 在此拓扑中，一个或多个共源共栅级连接到放大器的输入级，以增加增益和频率响应，同时降低噪声系数。

共源共栅（Cascoded）放大器是通过将多级晶体管链接在一起构建的，每级进一步放大信号。 共源共栅拓扑可以通过提供额外增益来帮助降低噪声系数，同时还可以提高放大器的频率响应。

两个MOSFET共源共栅（Cascoded） LNA 拓扑的LNA设计

与其他拓扑相比，共源共栅（Cascoded） LNA 拓扑还具有更多优势。 共源共栅级为放大器提供了额外的电压余量，从而实现更高的增益和更大的输出功率水平。 级联拓扑对 IC 制造中的工艺变化也相对不敏感，这使其成为 LNA 大批量生产的良好选择。

然而，这种拓扑也有一些缺点。 共源共栅（Cascoded）级会导致插入损耗，从而降低放大器的整体增益。 此外，共源共栅级还会导致频率相关的增益和相位误差，这在某些应用中很难补偿。 因此，在选择LNA拓扑时，设计者需要根据具体的应用需求来考虑这些因素。

6.LNA的不同拓扑：调谐共源共栅（Tuned cascode）拓扑

两个MOSFET实现共源共栅（Cascoded）级LNA拓扑的LNA设计

调谐共源共栅（Tuned cascode）拓扑是一种低噪声放大器 (LNA) 拓扑，常用于射频接收器和高速通信系统。 它是共源共栅拓扑的一种变体，旨在通过消除从偏置网络注入 LNA 的噪声来提高性能。

在调谐共源共栅（Tuned cascode）拓扑中，噪声源（通常是与晶体管源极端子串联的电阻器或晶体管）被调谐为与 LNA 的输出阻抗在所需频率下谐振。 这种从噪声源注入 LNA 的噪声的消除导致比无需调谐的共源共栅拓扑更低的噪声系数 (NF) 性能。

除了低噪声系数之外，调谐共源共栅（Tuned cascode）拓扑还具有其他优点。 它具有与公共栅极拓扑类似的高输出阻抗和增益带宽积。 调谐共源共栅拓扑还可以设计为实现高线性度和低失真，这对于高速通信系统非常重要。

调谐共源共栅（Tuned cascode）拓扑

调谐共源共栅（Tuned cascode）拓扑的缺点之一是它需要精确调谐噪声源和输出阻抗才能实现最佳性能。 这会使 LNA 的设计和布局变得更加复杂和更具挑战性。 此外，调谐共源共栅拓扑通常需要比其他拓扑更多的功率才能实现同等性能。

还提出了可调谐共源共栅（Tuned cascode） LNA 拓扑，以提高宽频率范围内的增益和噪声系数性能。 这些拓扑结构使用变容二极管或其他可变阻抗元件来主动控制 LNA 的输出阻抗以及宽频率范围内的噪声源调谐频率。 这使得频率捷变射频接收器可以针对不同的应用调谐到不同的频率。