本文介绍了一项关于毫米波（mm-wave）相控阵系统中低噪声放大器（Low-Noise Amplifier, LNA）的研究。该研究由清华大学集成电路学院的Xiangrong Huang、Haikun Jia、Wei Deng、Zhihua Wang以及深圳清华大学研究院的Baoyong Chi共同完成，并于2022年发表在IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC)上。研究的主要目标是设计并实现一种在28 GHz频段下具有低噪声、高增益且芯片面积紧凑的低噪声放大器，以满足毫米波通信和雷达系统的需求。
低噪声放大器（LNA）是射频前端中最为关键的模块之一，因为它直接决定了整个接收通道的噪声系数（Noise Figure, NF）。在毫米波相控阵系统中，LNA不仅需要具备高增益和低噪声系数，还需要在芯片面积和功耗方面进行优化。近年来，硅基毫米波LNA的噪声系数通常在2到5 dB之间，功耗则在13到80 mW之间。然而，现有的设计在噪声性能和芯片面积方面仍有改进空间。本文提出了一种基于折叠三线圈变压器（folded three-coil transformer）和电磁双前馈技术（dual-feedforward techniques）的新型LNA设计，旨在进一步降低噪声系数并减少芯片面积。
研究设计了两种两阶段单端LNA，分别称为LNA1和LNA2。LNA1采用共栅极（Common-Gate, CG）输入级和共源极（Common-Source, CS）输出级结构，而LNA2则在LNA1的基础上引入了电流复用技术（current-reuse technique），以进一步降低功耗。
折叠三线圈变压器设计：
折叠三线圈变压器是本文的核心创新之一。传统的两线圈变压器在毫米波频段下存在插入损耗和芯片面积较大的问题。本文通过将第三线圈（LD1）折叠到原有的两线圈变压器（LS1和LG1）上，实现了单端到单端的信号转换，同时减少了芯片面积。通过调整线圈之间的耦合系数（k1和k2），研究人员优化了增益和噪声性能。此外，LD1采用了不对称的8字形电感设计，进一步节省了芯片面积。
电磁双前馈技术：
本文提出了电磁双前馈技术，包括磁耦合和电耦合两种路径。磁耦合通过折叠三线圈变压器实现，而电耦合则通过CG级的源漏电容（CDS1）实现。这种双前馈技术不仅提高了增益，还降低了噪声系数，并增强了电路的稳定性。通过仿真和实验验证，研究人员发现，加入CDS1前馈路径后，LNA的增益提高了1.8 dB，噪声系数降低了0.3 dB，且稳定性未受影响。
电流复用技术：
为了进一步降低功耗，LNA2采用了电流复用技术。该技术通过将CS级的直流电流重新利用到CG级，显著降低了功耗。实验结果表明，LNA2的功耗仅为3.6 mW，比LNA1的13.2 mW大幅降低，但噪声系数略有增加（0.6 dB）。
研究通过65纳米CMOS工艺制造了两种LNA，芯片核心面积均为200 μm × 300 μm。LNA1的测量结果显示，其峰值增益为16.7 dB，3 dB带宽为4.3 GHz（25.6至29.9 GHz），最小噪声系数为1.9 dB，输入1 dB压缩点（IP1dB）为-12 dBm。LNA2的峰值增益为11.7 dB，3 dB带宽为4.9 GHz（24.9至29.8 GHz），最小噪声系数为2.5 dB，IP1dB为-11.9 dBm。与现有的毫米波LNA设计相比，本文提出的LNA在噪声系数和芯片面积方面均表现出色。
本文提出的折叠三线圈变压器和电磁双前馈技术为毫米波LNA设计提供了新的思路。折叠三线圈变压器不仅减少了芯片面积，还提高了增益和噪声性能。电磁双前馈技术则通过磁耦合和电耦合的结合，进一步优化了LNA的性能。此外，电流复用技术的引入为低功耗LNA设计提供了可行的解决方案。这些创新技术在毫米波相控阵系统中具有重要的应用价值，能够显著提升通信和雷达系统的性能。
本文的研究得到了中国国家自然科学基金（No. 62074090）和北京未来芯片创新中心（ICFC）的支持。研究结果展示了在毫米波频段下实现高性能、低功耗LNA的可行性，为未来的5G通信和雷达系统提供了重要的技术参考。