微电子所在超宽带低噪声集成电路设计领域取得新进展

近期，微电子所智能感知芯片与系统研发中心乔树山团队在超宽带低噪声单片集成电路研究方面取得重要进展。

微弱信号处理链路对噪声极为敏感，低噪声放大器作为信号链路的关键元器件，决定了微弱信号的检测灵敏度。传统的低噪声芯片受晶体管的增益滚降、噪声和带宽相互制约的影响，导致各类系统的灵敏度和带宽无法满足信号多样性要求。同时，当电路长期工作在低温环境时，放大器的不稳定性加剧，导致系统可靠性降低。

为了解决以上问题，团队提出了可用于改变晶体管增益滚降的负阻技术和跨导重构技术，并且没有引入额外的热噪声；负阻利用晶体管源极容性器件与自身寄生电容，实现高频增益激增，抑制增益滚降，该增益滚降抑制方式在一定程度上实现了对后级噪声的抑制；跨导重构利用晶体管和源极电容对低频信号的整型作用，使该放大单元的等效跨导在低频呈现随频率增加特性，在高频呈现恒定跨导特性，从而实现无噪声引入下的平坦带宽。这两项技术从本质上解决了带宽和噪声相互制约的问题，使超宽带低噪声单片微波集成电路性能得到提升，同时为带宽拓展领域的研究提供了新思路。为了保证引入负阻后的放大器的稳定性，提出级间稳定性用等效品质因子衡量的准则，在该准则下设计了可工作在常温，高低温的芯片，芯片表现出出色的带宽和噪声性能，并且芯片整体性能处于行业内领先水平。

以上研究成果分别以“A4–22 GHz Ultra-Wideband Low-Noise Amplifier With 0.8–1.5 dB NF and 28–31 dBGain Enhanced by the Negative Load Impedance”为题发表在IEEETRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—I: REGULAR PAPERS(DOI：10.1109/TCSI.2024.3448534)，以“A Compact6–24-GHz Current-Reuse LNA With Bandwidth and Noise Enhancement”为题发表在IEEEMICROWAVE AND WIRELESS TECHNOLOGY LETTERS(DOI：10.1109/LMWT.2023.3341145)。微电子所博士研究生张晓杰为上述论文第一作者，微电子所梁晓新研究员为上述论文的通信作者。

图1 基于负阻技术的芯片设计

图2 跨导重构原理及芯片设计

图3负阻引入及跨导重构效果