0.1 GHz～18 GHz單電源寬帶低噪聲放大器

楊楠，楊琦，劉鵬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

伴隨著當(dāng)今社會(huì)信息化的快速發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如通信網(wǎng)絡(luò)、定位系統(tǒng)、無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等等，這些已經(jīng)成為生活中不可或缺的部分。尤其是近年來(lái)，光纖通信系統(tǒng)、高速率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和寬帶電磁頻譜監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)對(duì)寬帶接收機(jī)芯片的需求越來(lái)越迫切。而寬帶低噪聲放大器作為接收機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，其工作頻段范圍制約著整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的性能，因此寬帶低噪聲放大器有很大的研究空間。

目前頻率范圍覆蓋0.1 GHz～18 GHz寬帶低噪聲放大器芯片，一般需要雙電源供電，即提供柵電壓和漏電壓。且由于工藝參數(shù)的波動(dòng)，同一批次的芯片在固定柵壓條件下，放大器增益、功率等可能會(huì)有較大的波動(dòng)，需要通過(guò)微調(diào)柵壓使放大器實(shí)現(xiàn)最佳性能。因此在實(shí)際工程使用中，雙電源放大器需要提供額外的柵偏置電路和上電時(shí)序電路，且需要調(diào)整柵壓值實(shí)現(xiàn)放大器的良好性能，這在一定程度上增加了裝配工序和調(diào)試難度。

本文設(shè)計(jì)了一款工作在0.1 GHz～18 GHz單電源寬帶低噪聲放大器芯片，電路采用GaAs增強(qiáng)型pHEMT工藝，將分布式放大器和有源偏置電路一片式集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)寬帶放大器的單電源供電，提高芯片幅度一致性，減少寬帶放大器在工程應(yīng)用的裝配工序和調(diào)試工作，提高產(chǎn)品可靠性。

1 分布式放大器設(shè)計(jì)

分布式放大器作為一種超寬帶放大器主要實(shí)現(xiàn)方式之一，具有增益平坦、駐波好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。當(dāng)射頻信號(hào)通過(guò)輸入人工傳輸線（柵線）為一組pHMET晶體管（FET1至FET）提供輸入信號(hào)，此時(shí)各級(jí)FET管都處于導(dǎo)通狀態(tài)；輸入信號(hào)通過(guò)FET管跨導(dǎo)轉(zhuǎn)移到輸出人工傳輸線（漏線）上，射頻信號(hào)被放大。若電路設(shè)計(jì)時(shí)保證射頻信號(hào)在柵線和漏線的每段時(shí)延均相同，那么經(jīng)過(guò)晶體管放大的射頻信號(hào)在漏線上可實(shí)現(xiàn)正向信號(hào)的同相疊加，反向信號(hào)則被終端負(fù)載Z吸收。當(dāng)傳輸線負(fù)載與傳輸線特性阻抗相同時(shí)，射頻信號(hào)就在無(wú)頻率限制的有損均勻傳輸線中進(jìn)行傳輸。因此電路設(shè)計(jì)中可以通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)保證柵線和漏線的相速度相同，則理論上分布式放大器就是無(wú)頻率限制的寬帶放大器。

圖1 分布式放大器結(jié)構(gòu)示意圖

傳輸線中Z、Z分別為柵線和漏線的特性阻抗，L、L分別是柵線和漏線的長(zhǎng)度。傳輸線的特性阻抗值及長(zhǎng)度的選取與晶體管參數(shù)有關(guān)。僅考慮器件寄生參數(shù)C和C的影響，電路中柵線和漏線的特性阻抗分別為：

其中L、C分別為柵線的分布電感和電容，L、C分別為漏線的分布電感和電容，理想條件下，將射頻信號(hào)在分布式放大器中輸入和輸出傳輸線看做是無(wú)損耗傳輸，且相速度一致，則放大器的增益表達(dá)式為：

其中G為pHEMT管的跨導(dǎo)值，為分布式放大器中pHEMT管并聯(lián)的級(jí)數(shù)。

但實(shí)際傳輸線都是有損耗傳輸?shù)?，分布式放大器在單元電路?jí)數(shù)增加同時(shí)傳輸線的損耗也會(huì)隨之增加，最終隨著級(jí)數(shù)的增多分布式放大器整體增益下降。對(duì)式（2）求導(dǎo)，得最優(yōu)設(shè)計(jì)級(jí)數(shù)的表達(dá)式為：

本文設(shè)計(jì)的分布式放大器采用級(jí)聯(lián)分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中增益單元電路采用共源共柵結(jié)構(gòu)。共源共柵結(jié)構(gòu)電路減小了第一級(jí)FET管的米勒效應(yīng)，以此擴(kuò)展頻率帶寬范圍，在增益單元級(jí)數(shù)相同的條件下，增益值比共源結(jié)構(gòu)的分布式放大器電路可提高2～4 dB，同時(shí)提高電路的反向隔離度，減小輸出傳輸線的損耗。

2 有源偏置電路設(shè)計(jì)

偏置電路分為無(wú)源偏置電路和有源偏置電路兩種。無(wú)源偏置電路，電源電壓Vdd通過(guò)兩個(gè)電阻進(jìn)行分壓，為減小電路功耗，一般兩電阻值之和需達(dá)到kΩ量級(jí)或更高。此偏置電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但溫度特性差，分壓電阻對(duì)低噪聲放大器的輸入阻抗有一定的影響，因此本文設(shè)計(jì)不采用此種無(wú)源結(jié)構(gòu)。有源偏置電路常見(jiàn)于溫補(bǔ)電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用CMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文采用的有源偏置電路與其不同，通過(guò)電阻R2將pHMET管M0的柵極、漏極短接，此時(shí)晶體管等效為一個(gè)晶體二極管，如圖2所示。電源電壓Vdd通過(guò)電阻R1、晶體管M0柵漏短接與電阻R2分壓，電阻R3為隔離電阻，該電路結(jié)構(gòu)可以隨溫度及工藝參數(shù)變化為分布式放大器提供相對(duì)穩(wěn)定的靜態(tài)偏置Vg，可減小放大管因溫度、工藝參數(shù)波動(dòng)引起的性能變化。且有源偏置電路有更好的扼流特性，將此偏置電路與分布式放大器集成，工作帶寬范圍內(nèi)的絕大部分射頻信號(hào)被反射避免信號(hào)泄露。

圖2 有源偏置電路

3 單電源分布式放大器設(shè)計(jì)

本文基于GaAs增強(qiáng)型pHMET工藝，將分布式放大器和有源偏置電路集成化設(shè)計(jì)，有源偏置引入的電阻對(duì)輸入阻抗的變化可以通過(guò)輸入匹配電路消除。放大器原理圖如圖3所示，根據(jù)工藝參數(shù)推薦的晶體管工作偏置，共源共柵增益單元中共源管柵偏置電壓Vg典型值為0.45 V，有源偏置電路通過(guò)電阻晶體管等分壓，為其提供0.45 V的電壓。有源偏置電路會(huì)引入額外的功耗，因此仿真中要注意晶體管M0尺寸及R1、R2電阻值的選取，額外引入的電流最好控制在mA量級(jí)。綜合功耗及偏置電路扼流性能，最終選取晶體管M0尺寸2×30 um，R1電阻值750 Ω，R2電阻值900 Ω，R3電阻值4 kΩ，有源偏置電路局部功耗2 mA。

圖3 0.1 GHz～18 GHz單電源寬帶低噪聲放大器原理圖

分布式放大器的單元電路級(jí)數(shù)與電路頻率、衰減常數(shù)及晶體管參數(shù)等相關(guān)，綜合考慮工作帶寬、增益、輸出P1dB、功耗及芯片尺寸等指標(biāo)，最終確定單元電路級(jí)數(shù)為8級(jí)，放大管尺寸均為2×40 μm，增益單元里共源放大管與共柵放大管靜態(tài)電流相同，工作偏置電壓可通過(guò)電阻R1、R2比例來(lái)調(diào)整，以此調(diào)整放大器的增益、功率等指標(biāo)。芯片進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)時(shí)，有源偏置電路和分布式放大器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，通過(guò)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化輸入駐波及噪聲系數(shù)的高低，并且消除有源偏置電路阻抗對(duì)輸入阻抗的影響；通過(guò)調(diào)整輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和柵線、漏線的線寬和線長(zhǎng)等所有變量，優(yōu)化增益、功率、噪聲系數(shù)等指標(biāo)以滿足技術(shù)指標(biāo)要求，同時(shí)要保證放大器的絕對(duì)穩(wěn)定性。

4 仿真與測(cè)試結(jié)果分析

基于上述設(shè)計(jì)思路，本文采用0.15 μm GaAs增強(qiáng)型pHEMT工藝 設(shè)計(jì)并流片一款工作于0.1 GHz～18 GHz單電源寬帶低噪聲放大器芯片，該電路可廣泛應(yīng)用于寬帶收發(fā)系統(tǒng)當(dāng)中。電路設(shè)計(jì)采用電磁仿真軟件，通過(guò)小信號(hào)、大信號(hào)仿真控件、穩(wěn)定性控件及優(yōu)化控件等對(duì)電路原理圖和版圖進(jìn)行優(yōu)化仿真。增益單元電路共八級(jí)，每級(jí)增益單元的元器件尺寸完全相同，保證信號(hào)經(jīng)過(guò)各級(jí)放大后實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同向疊加；折中設(shè)計(jì)電路的增益平坦度、噪聲系數(shù)、輸出P1dB及輸入、輸出回波損耗，并保證電路絕對(duì)穩(wěn)定。仿真曲線如圖4中實(shí)線所示，增益大于18 dB，增益平坦度±0.5 dB以內(nèi)，輸出P1dB 功率 12 dBm@10 GHz、10 dBm@18 GHz，噪聲系數(shù)NF典型值為2.5 dB，帶寬范圍內(nèi)整體噪聲小于4.0 dB，輸入、輸出駐波較小，直流功耗5 V/60 mA。

經(jīng)過(guò)工藝加工流片及在片測(cè)試，該寬帶低噪聲放大器在0.1 GHz～18 GHz頻率范圍內(nèi)，增益大于18 dB， 0.1 GHz～ 1 GHz內(nèi)增益平坦度略差，此現(xiàn)象可通過(guò)裝配偏置電路（漏電壓端外加μF量級(jí)電容倒地）來(lái)改善；輸出P1dB 功率為12 dBm@10 GHz、10 dBm@18 GHz，與仿真基本趨于一致；噪聲系數(shù)NF典型值為2.5 dB，但在0.1 GHz～ 0.4 GHz頻率范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)實(shí)測(cè)高于仿真值；輸入、輸出駐波實(shí)測(cè)與仿真值趨于一致；直流功耗典型值為5 V/60 mA。同一晶圓上放大器增益幅度波動(dòng)≤±0.5 dB，幅度一致性優(yōu)于雙電源分布式放大器。放大器在高低溫條件下無(wú)自激，電路穩(wěn)定。芯片實(shí)物照片如圖4所示。

圖4 芯片實(shí)物照片

5 結(jié) 論

本文講述一種集成有源偏置電路的單電源寬帶低噪聲放大器芯片設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并流片一款頻率覆蓋0.1 GHz～18 GHz的單電源寬帶低噪聲放大器，芯片尺寸2.4 mm×1.0 mm×0.07 mm，芯片集成度高。經(jīng)測(cè)試，放大器在工作頻段內(nèi)，小信號(hào)增益大于18 dB，輸出P1dB典型值12 dBm，噪聲系數(shù)典型值2.5 dB，直流功耗為5 V/60 mA，可滿足工程使用需求。