基于0.15μm GaAs工藝6-18 GHz寬帶低功耗低噪聲放大器

成都嘉納海威科技有限責(zé)任公司 滑育楠 廖學(xué)介 鄔海峰

1.引言

隨著電子裝備的不斷變革，雷達(dá)與電子戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展對(duì)射頻前端中的低噪聲放大器的性能提出了寬帶、低噪聲、低功耗等要求。這是由于低噪放位于接收系統(tǒng)的前端，其噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲影響最大，其增益將決定對(duì)后級(jí)電路的噪聲抑制程度，其線性度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生重要的影響?，F(xiàn)有國(guó)外寬帶低噪聲放大器芯片可以在較寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)較低的噪聲和高線性度[1]-[3],但是國(guó)內(nèi)卻鮮有相關(guān)產(chǎn)品的報(bào)道，并且這些電路主要是共源-共源結(jié)構(gòu)或者共源-共柵結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的共源-共源放大器通過(guò)兩級(jí)電路電源分別饋電，前級(jí)晶體管通過(guò)電阻降壓獲得合適的漏壓，造成功耗增加；而共源-共柵低噪聲寬帶放大器雖然利用共柵結(jié)構(gòu)大幅改善了輸出阻抗匹配，拓寬了帶寬，但是對(duì)增益貢獻(xiàn)很小。

為了解決上述難題，本文設(shè)計(jì)了一種基于自偏置技術(shù)和電流復(fù)用方法的共源-共源結(jié)構(gòu)的低噪放芯片結(jié)構(gòu)，從而提高低噪聲放大器的性能指標(biāo)間的良好權(quán)衡，實(shí)測(cè)結(jié)果表明該芯片在兼顧低功耗的同時(shí)具有極佳的寬帶低噪聲性能和高線性度特性。

2.電路設(shè)計(jì)

圖1 電流復(fù)用的兩級(jí)共源-共源放大器電路原理圖

如圖1所示，本論文的低噪聲寬帶放大器電路采用電流復(fù)用的兩級(jí)共源-共源放大器電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用單電源供電使得應(yīng)用更加方便。第一級(jí)采用自偏置結(jié)構(gòu)，同時(shí)和第二級(jí)形成電流復(fù)用偏置，第二級(jí)電路的晶體管的源極通過(guò)一個(gè)高電抗電路連接第一級(jí)電路的漏極，為第一級(jí)晶體管提供偏置電流，達(dá)到電流復(fù)用的作用。高電抗結(jié)構(gòu)利用一個(gè)大電感，實(shí)現(xiàn)隔離前后級(jí)射頻信號(hào)的效果。為改善電路的輸入、輸出匹配，第二級(jí)電路采用并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)，同時(shí)可獲得良好的增益平坦度并有效拓展寬帶寬。

第一級(jí)晶體管M1和第二級(jí)晶體管M2的柵寬分別為4×50 um和4×75 um。電容C1和電感L1組成的串聯(lián)諧振通路，將第一級(jí)晶體管M1和輸出信號(hào)耦合到第二級(jí)晶體管M2的輸出端。電容Cs2和電感L2連接第一級(jí)晶體管M1和第二級(jí)晶體管M2，用于將第二級(jí)晶體管M2的直流電流提供給第一級(jí)晶體管M1且將射頻信號(hào)在此支路阻斷。在兩級(jí)級(jí)聯(lián)電路中，第一級(jí)晶體管主要實(shí)現(xiàn)低噪聲和輸入駐波匹配，同時(shí)兼顧提高增益，減小后級(jí)噪聲的影響。采用自偏置技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單電源供電。第一級(jí)晶體管的柵極通過(guò)一個(gè)大電感Lg1接地，讓第一級(jí)晶體管的柵極偏置在零電位，同時(shí)阻斷射頻信號(hào)進(jìn)入交流地。在第一級(jí)晶體管的源端插入一個(gè)小電阻Rs1，其值等于所需Vgs1除以希望的漏極電流，將源端電位提高到一個(gè)正的直流電位，幅度等于所需的柵-源極間的電壓，為了防止損失射頻增益，源端通過(guò)一個(gè)大的去耦電容Cs1接地。第二級(jí)晶體管M2從漏極到柵極之間加載了RLC負(fù)反饋電路。負(fù)反饋可以拓展帶寬并穩(wěn)定放大器。因此，本論文所述的寬帶低噪聲放大器節(jié)省了功耗的同時(shí)保持較高增益。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 寬帶低噪聲放大器的芯片照片

該電路結(jié)構(gòu)采用0.15um的GaAs pHEMT工藝流片加工后，獲得的芯片厚度為100 um，最終完成的芯片尺寸為1.97×1.35 mm2，芯片照片如圖2所示。將芯片裝入測(cè)試夾具進(jìn)行微波電性能測(cè)試，工作電壓5V，電流43mA。

圖3 增益和駐波仿真與測(cè)試結(jié)果

圖4 噪聲系數(shù)仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖5 輸出P-1仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖3為仿真與測(cè)試的增益、駐波曲線。從測(cè)試結(jié)果中可以看出，測(cè)試與仿真結(jié)果吻合較好，增益測(cè)試結(jié)果高端漲了1dB左右，具有一定正斜率。駐波在6-18G頻帶內(nèi)均小于2，但帶內(nèi)較仿真結(jié)果波動(dòng)較大，造成增益也有一定波動(dòng)，這和測(cè)試夾具性能較差有關(guān)。圖4與圖5分別為噪聲系數(shù)和輸出功率P-1的仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線圖。從對(duì)比圖中可以看出，輸出P-1仿真與測(cè)試基本保持一致，均大于13dBm，測(cè)試結(jié)果的噪聲系數(shù)在帶內(nèi)惡化0.3 dB左右，但均小于2dB。噪聲系數(shù)惡化主要是由于流片工藝噪聲系數(shù)模型在該頻段準(zhǔn)確度不夠，此外，夾具測(cè)試也會(huì)帶入一定的誤差。

4.結(jié)論

本論文采用0.15um GaAs pHEMT工藝研制了一款6-18 GHz低噪聲寬帶放大器芯片，芯片尺寸為1.97 ×1.35 mm2。在6-18 GHz頻帶內(nèi)測(cè)試結(jié)果顯示：放大器帶內(nèi)增益高達(dá)21dB，噪聲系數(shù)典型值為2 dB，輸入、輸出駐波比均小于2，P-1大于13dBm。芯片在5V工作電壓下，電流為43mA，采用電流復(fù)用技術(shù)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的功耗降低將近40%。

[1]J.S.Mandeep A.Huda,and R.Nitesh,“A compact, balanced low noise amplifier for WIMAX base station applications,”Microwave Journal 53.11,2010.

[2]P.Nguyen,Duy,et al.,“A 14-31 GHz 1.25 dB NF enhancement mode GaAs pHEMT low noise amplifier,”IEEE MTT-S International Microwave Symposium,2017.

[3]H.Zhang,et al.,“A 3-15GHz ultra-wideband 0.15-μm pHEMT low noise amplifier design,”IEEE Communication Systems,2016.