[IMS2025_1] A 15–50 GHz LNA with 2.4 dB NF and 25.4±1.4 dB Gain in 0.15 µm GaAs pHEMT Process

• 기관: South China University of Technology, China /Nanjing University of Science and Technology, China 

• 주 연구 요약

  • 연구배경 및 목적 : 40–50 GHz 대역의 초광대역 무선통신·계측 장비 요구 증가. 

  • 이를 충족하기 위해 0.15 µm GaAs pHEMT 공정 기반의 초광대역 LNA 개발.

  • 설계 핵심

1) 4-Stage Current-Reuse Common Source 구조 - 전력 효율 및 개별 스테이지 Gain 확보.
2) RLC & Virtual Ground Capacitance(VGC) Topology -  2차원 이득 조정이 가능,  저주파·고주파 Gain 분포를 독립적으로 조절, 전체 효율(NF·선형성) 영향을 최소화.
3) Gain Flatness 향상 기법 - Inductive Peaking, RC Parallel, LR Series Circuit 적용,  Gain 변화량 ±1.4 dB 유지.
4) T-type Matching Network -  Gate bias feed와 IMN을 통합하여 삽입손실 감소,  Zopt ≈ Zin 동시 매칭 → NF 개선.

• • 측정 결과

    • Gain: 25.4 ± 1.4 dB (15–50 GHz) /  Noise Figure: 2.4–2.8 dB / S11 / S22: < -7.5 dB, < -11.5 dB / OP1dB: 8–13.4 dBm /  OIP3: 17.5–23 dBm, 전력 소비: 168 mW (@ 4 V),  칩 크기: 1.5 × 0.84 mm

  • 장점

    • 매우 우수한 초광대역 성능 (15–50 GHz, 108% FBW) - GaAs pHEMT의 고주파 특성을 적절히 활용,  25 dB 수준의 높은 Gain과 ±1.4 dB flatness는 매우 경쟁력 있음.

    • 낮은 Noise Figure (2.4–2.8 dB) - -type IMN을 통한 Zopt–Zin 동시 매칭이 큰 기여.

    • 독창적 Topology: RLC + VGC - Gain 조정이 2차원적으로 가능 → 설계 자유도 상승,  NF, linearity 영향 최소화.

    • 우수한 선형성 (OP1dB 13.4 dBm, OIP3 23 dBm) - 40–50 GHz 고주파에서도 좋은 선형성 확보.

    • 효율적인 회로 - Current-reuse 구조로 전력 소비 절감,  Bias network 안에 LR series circuit을 통합 면적 최소화.

개인 의견]

 - 측정 장비 측면에서 수신기의 설계이므로 높은 성능이 우선이될 것으로 보이며, 1,2-스테이지에서 current-reuse기법을 사용하며 Cvgs와 feedback 저항을 최적화 하여 이득을 조절할 수 있다고 이야기 하고 있음. 또한 3,4-스테이지에서 부하 인덕터 전에 TL을 추가가 부하 인덕터 low-Q 구성의  인덕터 피킹으로 밴드폭을 확장함. 하지만 여전히 복잡한 회로 구성이 필요해 보이며, 20GHz 이하는 측정이 필요한 모듈이 추가로 필요한 구성으로 보임. 

첫번째 스테이지의 drain thermal noise를 줄이기 위해서 낮은 전압이 인가되어 nf 성능을 개선한것으로 보임. 높은 이득을 위해서 다른 논문은 3-스테이지 구성을 4-스테이지로 설계함.