超短波低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

張 博,肖寶玉

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710121)

低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)作為接收模塊中第一個有源器件,在接收機(jī)中占有重要的作用,其中線性特性和噪聲系數(shù)直接決定接收機(jī)鏈路的靈敏度和動態(tài)范圍,因此在低噪聲放大器設(shè)計(jì)中線性特性和噪聲系數(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。

針對提高低噪聲放大器線性度和低噪聲系數(shù)的研究,文獻(xiàn)[1]提出采用共源共柵結(jié)構(gòu)和多重反饋網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)改進(jìn)電路結(jié)構(gòu),使其電路具有低于0.5 dB 的噪聲系數(shù),輸出三階交調(diào)點(diǎn)大于36 dBm,但是增益較差,芯片面積較大,為2 mm×2 mm。文獻(xiàn)[2]提出了通過采用功率合成來提高低噪聲放大器輸出功率,其輸出1 dB 壓縮點(diǎn)大于20 dBm,輸出三階交調(diào)點(diǎn)大于38 dBm,由于在放大器級間和輸出部分使用了90°片上集成巴倫,該電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,芯片面積較大。文獻(xiàn)[3]提出了導(dǎo)數(shù)交疊法來提高低噪聲放大器的線性度,其輸出三階交調(diào)點(diǎn)也僅為30.6 dBm,且增益和噪聲系數(shù)較差。

鑒于LNA 需要具有良好的噪聲系數(shù),并能提供足夠的增益,以確保整個接收系統(tǒng)具有最小噪聲系數(shù);同時當(dāng)接收信號較大時,應(yīng)有足夠的線性度以減小信號失真[1],本文采用一種新型有源偏置電路以及帶有RC 負(fù)反饋的共源共柵結(jié)構(gòu)電路,設(shè)計(jì)了一款工作在10～1000 MHz 的超短波低噪聲放大器。該放大器具有優(yōu)異的低噪聲系數(shù)和高線性度。電路采用帶有RC 負(fù)反饋的共源共柵結(jié)構(gòu),拓展了工作帶寬。設(shè)計(jì)的新型有源偏置電路可以有效地提高該低噪聲放大器的線性度。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 共源共柵(Cascode)電路結(jié)構(gòu)

為了獲得好的隔離度和高增益,并拓展頻寬,文中放大器電路采用帶有RC 反饋的共源共柵結(jié)構(gòu),如圖1 所示。共源共柵結(jié)構(gòu)具有輸出阻抗高、增益高、屏蔽特性等優(yōu)點(diǎn)[4]。

圖1 共源共柵結(jié)構(gòu)電路圖Fig.1 Circuit diagram of common-source common-gate structure

(1) 輸出阻抗高

式中:gm為柵源之間的跨導(dǎo);gmb為襯底和源極之間的跨導(dǎo);r1為M1的等效電阻;r2為M2的等效電阻。又因?yàn)間mr2?1,所以最終輸出阻抗為:

式(2)表明,串接M2使得M1的輸出阻抗為原來的(gm+gmb)r2倍,輸出阻抗大大增加,這是共源共柵放大器最大的特點(diǎn),對提高放大器小信號增益、電路源的恒流特性十分有利。

(2) 增益高

共源共柵結(jié)構(gòu)還具有增益高、隔離度好的優(yōu)點(diǎn),相比較于共源或者共柵結(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢。

由前面的輸出阻抗分析可知,共源共柵結(jié)構(gòu)增益為:

而共源級增益為:

從式(3)和式(4)可以得出共源共柵結(jié)構(gòu)的增益是共源級結(jié)構(gòu)增益的(gm2+gmb2)r2倍。

(3)具有屏蔽特性

在某種意義上,共源共柵晶體管“屏蔽”輸入器件,使它不受輸出結(jié)點(diǎn)電壓變化的影響。

1.2 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是放大器的重要指標(biāo),必須保證放大器在工作頻段內(nèi)穩(wěn)定工作才有實(shí)現(xiàn)其他特性的可能。穩(wěn)定性一般分為兩類,分別是絕對穩(wěn)定和條件穩(wěn)定。

在放大器設(shè)計(jì)中,絕對穩(wěn)定是非常重要的。K值是判斷低噪聲放大器是否穩(wěn)定工作的指標(biāo),定義為穩(wěn)定性因子,Γin為輸入端口的反射系數(shù),ΓL為負(fù)載反射系數(shù),Δ為散射矩陣的行列式,判定為絕對穩(wěn)定需要滿足以下關(guān)系[3]:

基于以上分析,為了保證低噪聲放大器能夠穩(wěn)定工作,本文通過給源極串聯(lián)電感的形式,實(shí)現(xiàn)其工作頻帶內(nèi)能夠穩(wěn)定工作的性能。而實(shí)際中,由于鍵合線在封裝中必不可少,所以源極電感接地經(jīng)常用鍵合線來實(shí)現(xiàn),這樣在版圖的設(shè)計(jì)中可以很大程度上減小芯片面積。為了盡可能減小電感值,在封裝中可使用下連綁定線技術(shù),即將源極焊盤和封裝外殼的地用鍵合線連接,1 mm 鍵合線大約有1 nH 感值[5],本設(shè)計(jì)中源極采用0.5 mm 鍵合線與封裝外殼的地連接。

1.3 偏置電路

放大器的偏置電路一般分為無源偏置和有源偏置。無源偏置結(jié)構(gòu)一般采用電阻分壓或者電感到柵極的方式。這種結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn),但是無源器件隨著溫度的變化不明顯,其溫度特性較差。而有源偏置結(jié)構(gòu)利用晶體管二極管連接電阻特性,為放大器隨著溫度的變化提供穩(wěn)定的靜態(tài)偏置[5]?？紤]到此款芯片的工作環(huán)境等因素,本文選用有源偏置電路來為放大器提供穩(wěn)定的靜態(tài)偏置,其偏置電路如圖2 所示。其中M4和M3管子?xùn)砰L尺寸分別為50,25 μm,電阻R3作為反饋電阻,R4是柵極分壓電阻,電容C3起到射頻交流到地作用,其中C3和C4對調(diào)節(jié)高頻線性度具有一定的作用,最終通過M3給放大器輸入端提供合適的偏置。圖3 是本設(shè)計(jì)電路原理圖。

圖2 有源偏置電路Fig.2 Active bias circuit

圖3 低噪聲放大器整體電路圖Fig.3 Overall circuit diagram of low noise amplifier

因?yàn)榇说驮敕蓬l率范圍為10～1000 MHz,為了拓展頻寬采用兩層RC 反饋,其中C8、R13為片外反饋,C5、R6是片內(nèi)反饋。R7、R8作為柵極分壓電阻,R11、R12進(jìn)行靜態(tài)電流地調(diào)節(jié);L1、L2為扼流電感,阻斷高頻信號,同時參與一定的輸入輸出匹配;C2、C11為隔直電容,斷絕直流信號,同時也對輸入輸出匹配起到一定的作用;C9、C10作為旁路電容,濾除射頻信號,對電源起到保護(hù)作用。其中輸入輸出匹配電路采用片外的分立元件,這樣有利于匹配調(diào)節(jié)以及工作頻點(diǎn)調(diào)整,很大程度上縮短研發(fā)周期和降低成本[7]?，F(xiàn)已確定該低噪聲放大器的偏置網(wǎng)絡(luò)和偏置電壓工作點(diǎn)(8 V/238 mA),故對本電路進(jìn)行優(yōu)化仿真。

2 電路仿真分析

本次設(shè)計(jì)采用0.5 μm GaAs 增強(qiáng)型贗配高電子遷移率晶體管(E-PHEMT),該晶體管典型的漏極電流ID為320 mA/mm,跨導(dǎo)是570 mS/mm[8]。根據(jù)原理圖,對電路進(jìn)行了初步仿真。在低噪聲放大器的仿真中主要包括小信號S參數(shù)仿真、噪聲系數(shù)(NF)以及穩(wěn)定性仿真;大信號仿真包括輸出1 dB 壓縮點(diǎn)(OP1dB)、輸出三階交調(diào)點(diǎn)(OIP3)。在初步仿真結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)一步對各指標(biāo)優(yōu)化,最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求[9]。

由于ADS 原理圖仿真和電磁仿真(EM)存在差異,且后者更接近實(shí)際環(huán)境,將EM 仿真完成后生成的symbol 代入到原理圖中進(jìn)行聯(lián)合仿真[10],設(shè)計(jì)出低噪聲放大器的版圖如圖4 所示,尺寸為1 mm×0.9 mm。根據(jù)放大器器件工作的溫度,仿真溫度分別設(shè)置為低溫-55 ℃,常溫25 ℃,高溫125 ℃,其中三種不同溫度下的靜態(tài)電流分別為238,238,218 mA,并且滿足在全頻帶K均大于1 的穩(wěn)定性要求。圖5～8 和圖9 分別為該低噪聲放大器的小信號仿真和大信號仿真結(jié)果。

圖4 低噪聲放大器的版圖設(shè)計(jì)Fig.4 Layout design of low noise amplifier

圖5 分別是輸入輸出回波損耗在不同溫度下隨著頻率變化曲線,本設(shè)計(jì)在輸入輸出端均采用不同的匹配方式使其有良好的匹配,因此三種溫度下的仿真值都在-10 dB 以下。

圖5 放大器不同溫度的輸入輸出回波損耗Fig.5 Input/output return loss of the amplifier at different temperatures

圖6 是放大器在不同溫度下的反向隔離度隨頻率變化曲線。由于共源共柵結(jié)構(gòu)的隔離度好,使得本電路的隔離度都在-25 dB 以下。

圖6 放大器不同溫度的反向隔離度Fig.6 Reverse isolation of the amplifier at different temperatures

圖7 是放大器在不同溫度下的增益隨著頻率變化曲線。在常溫1000 MHz 處的增益為22.8 dB。在頻帶內(nèi),增益隨溫度的變化,波動范圍小于0.8 dB。

圖7 放大器不同溫度的增益Fig.7 The gain of the amplifier at different temperatures

圖8 是放大器的噪聲系數(shù)在不同溫度下隨頻率變化曲線。在整個頻帶內(nèi)噪聲系數(shù)均小于0.8 dB,且在常溫1000 MHz 處噪聲系數(shù)僅為0.7 dB。

圖8 放大器不同溫度的噪聲系數(shù)Fig.8 Noise factor of the amplifier at different temperatures

圖9 分別是該放大器輸出1 dB 壓縮點(diǎn)和輸出三階交調(diào)點(diǎn)在不同溫度下隨頻率變化曲線。在常溫1000 MHz 處,OP1dB 為28.3 dBm,OIP3 為43.8 dBm。根據(jù)以上仿真數(shù)據(jù)表明本文提出的新型有源偏置電路可以使低噪聲放大器在不同的溫度環(huán)境下正常工作,且表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

圖9 放大器不同溫度的輸出1 dB 壓縮點(diǎn)和三階交調(diào)點(diǎn)Fig.9 Output 1 dB compression point and output third order interchange point of the amplifier at different temperatures

表1 給出了本文提出的超短波低噪聲放大器與具有類似特性的低噪聲放大器的主要指標(biāo)對比。從表1可以看出,本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器具有更低的噪聲,并且三階交調(diào)點(diǎn)遠(yuǎn)高于其他文獻(xiàn),優(yōu)異的性能使其可以更好地工作在超短波通信系統(tǒng)中。

表1 放大器的性能對比Tab.1 Performance comparison of amplifiers

3 結(jié)論

本文基于0.5 μm E-PHEMT 工藝設(shè)計(jì)了一款超短波低噪聲放大器,該放大器的主結(jié)構(gòu)采用共源共柵電路結(jié)構(gòu),以確保其具有高增益、隔離度高的性能,并且利用特殊的有源偏置電路來設(shè)計(jì)出一款在高低溫中具有高線性度的低噪聲放大器。設(shè)計(jì)仿真結(jié)果為:在10～1000 MHz 頻率范圍內(nèi),增益高于22 dB,噪聲系數(shù)低于0.7 dB,輸出1 dB 壓縮點(diǎn)高于26 dBm,輸出三階交調(diào)點(diǎn)高于43 dBm。同現(xiàn)有的同類研究相比表明,該低噪聲放大器具有低噪聲、高增益、高線性度等特點(diǎn),使得接收機(jī)鏈路具有很好的靈敏度和動態(tài)范圍。