在通信接收器中低噪聲放大器(LNA)對於從噪聲中析出信號十分關鍵。控制系統內噪聲還有其他技術，包括過濾和低溫冷卻，但低噪聲放大器的良好性能，提供了一種被實踐所驗證的可靠的管理通信系統噪聲的方法。隨之而來的是對工作於X頻段(8GHz)的低功率(電池供電)LNA設計的探索。設計比較了在目標是工作於的幾毫瓦DC電源的單片微波集成電路(MMIC)中，GaAs PHEMT增強型(E模式)和耗盡型(D模式)電晶體的使用。
低功率工作目標與處理不必要的(blocking)信號的應用相互矛盾。這類應用要求嚴格過濾和/或具有良好線性的LNA，其線性特性以三階截止點(IP3)表示。還有，許多如全球定位系統(GPS)接收器等無線應用，可利用低功率LNA增強在沒有幹擾或blocking信號時的弱信號。
考慮用於LNA設計的GaAs PHEMT有兩種不同的器件形式：具有典型負柵閾值電壓的D模式電晶體和具有正柵閾值電壓的E模式電晶體。正柵閾值電壓簡化了電池供電系統中的偏壓。儘管有可能採用一節電池對D模式器件供電，但它需要消耗額外的流入源電阻的DC功率以滿足偏壓要求。
在LNA設計中，第一步是確定哪種類型器件提供最好的功能與性能的組合。下一步是選擇器件的大小尺寸。器件尺寸將影響LNA的帶寬、DC功耗、噪聲值和非線性性能。對於一階效應，器件尺寸不會影響增益和噪聲值。然而，隨著器件變得更小，匹配電路和相互聯接的電阻損耗相對於器件阻抗而增加，大大增加了噪聲值。
器件尺寸的選擇在MMIC LNA設計中是關鍵的一步。漏偏電流對噪聲值的影響甚至比漏偏電壓的影響更大。此外，漏偏還影響放大器增益。沒有足夠大的電流，增益會很低。一般來說，LNA對於漏飽和電流(IDSS)偏置15%~20%，作為增益與噪聲的折衷。IDSS與器件尺寸成比例，所以較大器件將比較小器件消耗更大功率。降低DC功耗的一個途徑是在維持15%~20%的IDSS偏置的同時減小器件的尺寸。
降低漏電壓將降低DC功耗，但器件的漏電壓必須足夠高以使其工作於飽和區並能夠放大。除了隨器件尺寸縮小噪聲值增大和增益減小外，使用過小的器件還有其他缺點。包括非線性效應和由於IP3表現不佳造成的對工作帶寬內幹擾信號的易感性。最適合匹配50歐姆系統的器件尺寸也有一定範圍。尺寸比這一優選範圍小或大都趨於減少帶寬，也許在窄帶應用中還不太考慮，但在中等帶寬應用中的確很重要。所以，儘可能縮小器件尺寸以降低功耗的直覺傾向，由於其他性能問題而有所緩和。這樣，設計的功耗目標確定為毫瓦級。
一旦選定了器件尺寸、偏置電流和偏置電壓，下一步是設計LNA的匹配電路。對於一般器件通常提供有非線性和線性器件模型或S參數，但它們都針特定器件尺寸，如300μm進行了優化。器件尺寸增大和縮小，誤差都會隨之增大，雖然我們還不清楚由於器件尺寸增大和縮小而增大的誤差有多大。反覆設計流程被用於開發LNA以及電路布局，並且一直要進行各種檢查。最後，在將設計發出製造之前，還要進行布局設計規則檢查(DRC)。
圖1和圖2分別顯示了近乎相同的D模式和E模式LNA的布局。因為除摻雜物不同外，兩種器件的GaAs製造工藝相同，只是要求匹配電路有一點點不同，以在E模式設計上優化D模式設計。雖然兩種設計均針對一個偏置點進行了優化，還是要在各種電壓和電流範圍進行測試，以確定性能能力和DC功耗限制。
雖然兩種LNA在布局上幾乎一樣，仿真顯示在同樣的DC功耗下，E模式PHEMT有更好的性能。基於計算機仿真，E模式設計比D模式PHEMT設計在1-dB壓縮(P1dB)有更好的增益、噪聲值和輸出功率。表1對比了不同DC偏置點上的兩種LNA性能。
從仿真可以看出，對於同樣DC功耗E模式LNA的增益通常比D模式LNA高2dB。同樣，E模式器件的噪聲值通常優於D模式器件0.3dB。雖然E模式器件在1-dB壓縮時提供更大的輸出功率，在更高功率水平上其DC功耗增大，使這種比較顯失公充。對於兩種LNA的輸入和輸出阻抗匹配基本相同。
測量結果將顯示在低功LNA設計中E模式器件性能是否優於D模式器件。為了比較結果，注意對於一塊晶片樣品，MMIC工藝變化可能會使兩種LNA的結果有偏差。仿真基於統計上的一般器件。在PHEMT有源層(即閾值)摻雜情況變化，是可能引起兩種器件性能明顯變化的主要原因。所幸地，兩種LNA設計中所有匹配電路和無源器件變化——微帶線跡、電感和電阻都是一樣的以進行比較。
在可比DC功耗水平上，基於E模式器件的LNA比基於D模式器件的LNA具有更大的增益和更好的噪聲值。測量包括1-dB壓縮(P1dB)的輸出功率、噪聲值(NF)、增益(S21)和阻抗匹配(S11, S22)，結果顯示於表2。