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低噪声放大器的应用与发展状况及趋势1低噪声放大器的应用低噪声放大器是现代无线通信、雷达、电子对抗系统等应用中一个非常重要的部分，常用于接收系统的前端，在放大信号的同时抑制噪声干扰，提高系统灵敏度。如果在接收系统的前端连接高性能的低噪声放大器，在低噪声放大器增益足够大的情况下，就能抑制后级电路的噪声，则整个接收机系统的噪声系数将主要取决于放大器的噪声。如果低噪声放大器的噪声系数降低，接收机系统的噪声系数也会变小，信噪比得到改善，灵敏度大大提高。由此可见低噪声放大器的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。低噪声放大器是雷达、电子对抗及遥测遥控接受系统等的关键部件。L、S波段低噪声放大器一般用于遥测、遥控系统。在电子对抗、雷达侦察中，由于要接收的信号的频率范围未知，其实频率范围也是要侦察的内容之一，所以要求接收系机的频率足够宽，那么放大器的频率也要求足够宽。而且，雷达侦察接收的是雷达发射的折射波，是单程接收；而雷达接收的是目标回波，从而使侦察机远在雷达作用距离之外就能提早发现雷达目标。灵敏度高的接收机侦察距离就远，如高灵敏度的超外差式接收机可以实现超远程侦察，用以监视敌远程导弹的发射，所以，要增高侦察距离，就要提高接收机灵敏度，就要求高性能的低噪声放大器。在国际卫星通信应用中,低噪声放大器的主要发展要求是改进性能和降低成本。由于国际通信量年复一年地迅速增加,所以必须通过改进低噪声放大器的性能来满足不断增加的通信要求。因此,要不懈地不断努力去展宽带低噪声放大器的带宽和降低其噪声温度。从经济观点出发,卫星通信整个系统的成本必须减少到能与海底电缆系统相竞争。降低低噪声放大器的噪声温度是降低卫星通信系统成本的一种最有效的方法,因为地面站天线的直径可以通过改善噪声温度性能而减小。另一方面,在国内卫星通信应用中,重点放在低噪声放大器的不用维修特性以及低噪声和宽带性能,因为在这些系统中越来越广泛地采用无人管理的工作方式,特别在电视接收地面站中更是如此。卫星通信用的低噪声放大器可以分为两种类型——低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放大器。这些低噪声放大器用在几个频段内,包括4GHz,12GHz和毫米波频段。宽带低噪声放大器的实现又有很多种类型。SiGe工艺具有优异的射频性能，更由于其较高的性价比，被广泛应用于移动通信、卫星定位和RFID等市场；SiGe工艺还可以与常规的数字模拟电路相集成，制造出功能完整的SoC芯片。目前采用SiGe材料制作射频集成电路已成为国际上的研究热点。实现前端的低噪声放大器是最近兴起的超宽带射频通信系统中的挑战之一。业界一直在追求完全集成的超宽带通信系统SOC，与其他工艺相比，CMOS工艺更易于系统集成,所以人们设计出了许多的CMOS工艺的超宽带低噪声放大器。4GHz频段是目前卫星通信最通用的频段,它用于国际卫星通信和国内卫星通信,包括电视接收地面站。在这些领域内,已经研制出了各种各样的低噪声放大器并已得到了应用。低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放大器根据其冷却系统可以分为三种类型,即深致冷型式,热电致冷型式和非致冷型式。深致冷低噪声参量放大器在卫星通信的初期得到广泛的使用。而今天,除了一些特殊应用以外,这种型式的参放几乎不象以前那样广泛地使用,这是因为有维修困难等几方面的原因。热电致冷和非致冷低噪声参量放大器主要用在国际卫星通信地面站中,有时也用在国内卫星通信的关键地面站。由于变容管的改进和泵频的提高,这些低噪声放大器几乎具有深致冷参放那样的低噪声温度。场效应晶体管低噪声放大器主要用在国内卫星通信地面站中,特别是用在电视接收地面站中。在这些场合,几乎普遍采用热电致冷和非致冷型式。深致冷型式仅仅用在特殊的场合。2发展状况及趋势能够放大微波射频信号的元件有很多，速调管和行波管专门用于高功率场合下放大微波射频信号，而且噪声很高；参量放大器可用于低噪声放大，但是带宽较窄；利用半导体材料的雪崩效应工作的雪崩二极管，因为其噪声较大多数用作负载功率放大器；另外，还有隧道二极管、体效应二极管等微波固体器件，但前者承受信号功率小，易于烧毁而应用很少，而后者工作电压低、调频噪声小而多用于振荡器。量子放大器的噪声系数最好，但是它庞大而且昂贵。到上世纪四十年代微波晶体管的问世，由于其体积小、重量轻使得其成为微波固体器件的一个重要分支。到了六十年代中期，由于平面外延工艺的发展，双极晶体管能够应用于微波射频波段。而且，随着半导体材料和工艺的迅速发展，场效应晶体管紧接着也应用于微波射频频段。微波晶体管放大器具有宽频带、稳定性好、噪声性能好、动态范围大等优点。射频低噪声放大器的设计过程是一个多个性能指标参数折中的过程，它的性能参数包括工作频率、功率增益、噪声系数、输入输出匹配、线性度和直流功耗以及稳定性等。随着CMOS工艺水平的不断提高，设计方法的不断进步，CMOS射频低噪声放大器的性能越来越高。当然，现代无线通信系统对LNA的要求也越来越高，这必然也推动着人们不断去研究探索出新的性能更完善的LNA。在低噪声放大器的设计过程中，我们通常都有好几个目标，比如要使噪声尽可能地小，提供足够增益的同时要有足够的线性度，以及要能提供一个稳定的50Ω输入阻抗，当然在便携设备中还有一个要求就是功耗要尽可能地低。当低噪声放大器前面有一个预选滤波器时，有一个性能好的输入匹配是非常重要的，因为这种滤波器对终端阻抗的质量是非常敏感的。在设计者头脑中有一个这样的概念后，我们首先考虑的就是能够提供一个稳定的输入阻抗，因此出现了各种输入结构，归纳起来可以分为四种，如图1.1所示。这里的每一种结构或者以单端形式出现，或者以差分形式出现。图1.1几种常见的LNA结构图1.1(a)所示电路，在栅极并联一个匹配电阻(在窄带应用中，为实现调谐还可以在MOSFET栅极并联一个到地的电感)，虽然可以实现共轭匹配，但是对放大器的噪声系数影响很大，不适合于要求低噪声系数的场合。图1.1(b)所示共栅极电路，它可以在低电压下工作，其输入电阻就是其跨导的倒数，我们可以选择合适的器件尺寸和改变其偏置实现阻抗匹配，它不必外接元件也能够达到50Ω的输入电阻，但是它的噪声性能不好，其理论最小噪声系数为2.2dB，不适合用在对噪声系数要求高的场合。图1.1(c)所示电路，它是一个跨阻放大器，在宽带放大器中用的比较多。图1.1(d)所示是源极电感负反馈电路，是目前低噪声放大器当中用的最为广泛的一种结构，它通过源极电感来产生输入阻抗的实部，由于它产生的这个实部不是实电阻，因而这种结构的噪声系数比较小。在过去的二十几年，低噪声技术有了长远的发展。在80年代早期，低噪声放大器的噪声性能已经相当出色了，然而其体积重量都比较大，功耗也比较大。卫星地面终端对低噪声、重量轻、低功耗以及高可靠性同时提出了要求，当时的低噪声放大器还很难同时达到上述要求。随着分子束外延(MBE)和金属有机化合物化学汽相淀积(MOCVD)等晶体生长技术、“能带工程”原理在器件设计中的成功应用，以及电路匹配技术，器件工艺技术的发展，人们开发了许多新型的半导体器件。除砷化钾场效应晶体管(GaAsFET)外，其佼佼者有高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极晶体管(HBT)。1981年法国Thomson－CSF公司研制成功第一个低噪声HEMT，在10GHz下，NF为2.3dB，Ga为10.3dB。在之后的五年里，HEMT已取得了显著的进展，成为公认的最适于毫米波应用的低噪声器件之一。在60GHz下，用GaAs基的HEMT器件能够达到NF＝1.7dB，Ga＝7.6dB。InP-HEMT在1987年问世之后的几年里，噪声性能已提高到令人惊奇的程度，是目前毫米波高端应用最好的低噪声器件。在60GHz下，InP-HEMT能够达到NF＝0.9dB，Ga＝8.6dB。目前，用HEMT制作的多级低噪声放大器已广泛用于卫星接收系统、电子系统及雷达系统。微波电路是以微波混合集成电路(MIC)的形式出现的，它是把微波无源元件制作在塑料、陶瓷、蓝宝石等介质基片上．再把微波半导体器件装配(焊接)在基片上。1989年，由混合微波集成电路技术制成的三阶InP基放大器在60-65GHz频段内，已达到噪声系数3.0dB，其相关增益为22dB。三年以后，使用0.1μmInP基HEMT制成的三阶放大器在60GHz下已达到1.6dB的噪声系数，其相关增益16dB。高电子迁移率晶体管及异质结双极晶体管的出现和GaAs工艺的成熟，给微波单片集成电路(MMIC)的发展奠定了基础。在MMIC中，通常由各种器件、集总参数元件和分布参数元件按照一定的电路拓扑排列而构成。从电路的结构上来看，这和混合微波集成电路有着很多相似的方面，两者既有联系又有区别。在MMIC中的元件包括有源元件和无源元件两类。主要是利用MESFET或HEMT作为有源元件。无源元件除了各种形状的传输线构成的分布参数元件外，一些集总元件也经常使用。进入90年代，随着晶体材料技术和微细加工技术的发展，毫米波MMIC进入实用化阶段。MMIC开始主要应用于军用系统，90年代以来，MMIC在商用产品中开拓了广阔的市场。这主要是商用无线通信市场，如低轨道卫星移动通信、环球定位卫星系统等。长期以来，射频集成电路实现工艺是以GaAs、SiGe衬底的BiCMOS/Bipolar工艺处于主导地位，主要是由于他们的高截止频率、高增益以及相对较低的噪声。但是，由于通信电路的基带处理、数字信号处理通常都采用集成度更高的CMOS工艺，因此工艺的不兼容性长期以来成为了射频集成电路发展的一个瓶颈。近年来人们对硅基深亚微米CMOS工艺技术发展作了不懈努力，MOS晶体管的性能得到了显著的提高，例如，MOSFET的截止频率已经达到了150GHz，这使得采用CMOS工艺实现射频集成电路成为可能。而且，与传统的射频工艺相比，CMOS工艺有着先天的优势——高集成度(与基带、数字信号处理模块工艺兼容)、低成本。所以CMOS射频集成电路成为当前的研究热点。近年来，随着高新技术的迅猛发展，人类逐渐摆脱有线设备的束缚，无线通信已经广泛的用于人们的生活中：移动通信、蓝牙(Bluetooth)、防撞雷达、医疗检测、生物分子学、物联网、全球卫星定位系统和宽带高速无线通信等⑴。无线通信最早用于航海领域，换句话说，也就是大部分都是低频通信，功耗大、设备体积笨重，使用起来十分麻烦。而后，随着通信技术的不断发展，高集成度、小型化和低功耗的多媒体终端设备应运而生，特别是近十年來，随着新一代个人通信高频数字信号处理技术的发展和基带信号处理芯片大量出现，以超大规模集成电路(VLSI)为基础的射频无线接收系统，即片上系统(SystemonChip,SOC)成为研究焦点。无线通信收发机核心器件是射频电路(RadioFrequency,RF)和基带电路(BaseBand,BB),早期的射频集成电路大多是以砷化镓(GaAs)、碎锗(SiGe)化合物衬底的双极性(Bipolar)工艺为主，这是山于它们具有较高的迁移率、低场饱和速率、较高的截止频率/r，低噪声系数等特性。但是这种工艺成本较高，更重要的是它与采用互补金属氧化(Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)工艺实现的基带电路部分不兼容，无法实现射频模拟电路和数字信号处理电路单片集成屯路。又由于基带部分CMOS工艺已经比较成熟，改变此部分的工艺相对较为困难，那么人们就幵始想办法改变射频电路的工艺。在砷化镓之后，曾经还使用过氮化镓(GaN)、憐化铟(InP)工艺来实现单片集成电路(Microwaveandmilimeterintegratedcircuits),而后，随着半导体工艺技术以摩尔定律飞速进步，金属氧化层半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor,MOSFET)的尺寸从1960年的25um降到后來的0.35um、0.25um、直到现在的90nm、45nm、25nm,其截止频率ft提高到300GHz以上射频前端用CM