基于GaAs工藝2-4GHz寬帶低功耗低噪聲放大器

呂繼平　童偉　王測天　王亞文　鄔海峰　林倩

摘要：本文介紹了一種基于0.5 μm GaAs pHEMT工藝的2-4 GHz寬帶低噪聲單片放大器（LNA）。該雙級放大器由Cascode結構構成?；谧云眉夹g與負反饋技術，該放大器能夠實現(xiàn)單電源供電，并具有寬帶工作特性。實測結果顯示，在2-4GHz寬頻帶范圍內，帶內的典型噪聲系數(shù)為0.7 dB，輸出功率1dB壓縮點大于14 dBm，OIP3大于30dBm，且直流功耗僅為250 mW。芯片尺寸為0.65×0.85 mm2。因此，該芯片在兼顧低功耗的同時具有極佳的寬帶低噪聲性能和高線性度特性，在5G無線通信系統(tǒng)中具有廣泛的市場應用前景。

關鍵詞：低功耗 ?電流復用 ?GaAs pHMET ?寬帶低噪聲放大器

1 引言

現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的發(fā)展導致半導體射頻器件的快速變革和演進。隨著5G通信時代的來臨，5G通信對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。由于低噪放位于接收系統(tǒng)的前端，其噪聲系數(shù)對整個系統(tǒng)的噪聲影響最大，其增益將決定對后級電路的噪聲抑制程度，其線性度對整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍產生重要的影響?，F(xiàn)有國外寬帶低噪聲放大器芯片可以在較寬頻帶內實現(xiàn)較低的噪聲和高線性度，但是國內卻鮮有相關產品的報道，并且這些電路主要是共源-共源結構或者共源-共柵結構。傳統(tǒng)的共源-共源放大器通過兩級電路電源分別饋電，前級晶體管通過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構大幅改善了輸出阻抗匹配，拓寬了帶寬，但是對增益貢獻很小。

為了解決上述難題，本文設計了一種基于自偏置技術和電流復用方法的共源-共源結構的低噪放芯片結構，從而提高低噪聲放大器的性能指標間的良好權衡，實測結果表明該芯片在兼顧低功耗的同時具有極佳的寬帶低噪聲性能和高線性度特性。

2 電路設計

如圖1所示，本論文的低噪聲寬帶放大器電路采用Cascode放大器電路結構。本放大器采用自偏置技術，能夠采用單電源供電，簡化外圍應用電路。共源級電路使用源極串聯(lián)電感負反饋結構來增加輸入阻抗;在Cascode結構中，共源電路對芯片性能的影響占主導作用，為減小工藝波動對性能的影響，共源級電路偏置采用有源偏置結構;共柵級電路偏置直接采用電阻分壓結構。同時本電路的共源極共柵極電路均使用了RC并聯(lián)負反饋結構，來調節(jié)輸入輸出匹配，并擴展帶寬。共源晶體管M1和共柵晶體管M2的柵寬分別為8×75 μm和8×75 μm。電感L1源極串聯(lián)負反饋電路能夠調節(jié)輸入匹配與增益。電容C1和電阻R1為輸出端到輸入端的負反饋電路，能夠調節(jié)輸入與輸出阻抗，增加帶寬，改善穩(wěn)定性能;電容C2和電阻R2為輸出端到共柵管M2柵極的負反饋電路，能夠改善電路穩(wěn)定性、調節(jié)增益并改善線性度性能。本設計采用自偏置技術實現(xiàn)了單電源供電，分別采用了有源偏置和電阻分壓結構。

3 實驗結果

該電路結構采用0.5μm的GaAs pHEMT工藝流片加工后，獲得的芯片厚度為100 μm，最終完成的芯片尺寸為0.65×0.85 mm2，芯片照片如圖2所示。將芯片裝入測試夾具進行微波電性能測試，工作電壓5V，電流50mA。

圖3為該芯片的增益、回波損耗曲線。從測試結果中可以看出，增益在工作頻段內大于14 dB，具有一定斜率。輸入回撥損耗在工作頻段內稍差，輸出回波損耗小于-10 dB。輸入和輸出回波損耗測試結果與測試夾具性能較差有關

圖4為噪聲系數(shù)和線性度測試結果曲線圖。噪聲系數(shù)在在工作頻段內小于1 dB。在實際測試時，夾具也會帶入一定的誤差。輸出1dB壓縮點在工作頻段內大于14 dBm。OIP3在工作頻段內大于30 dBm。

4 結論

本論文采用0.5 μm GaAs pHEMT工藝研制了一款2-4 GHz低噪聲寬帶放大器芯片，芯片尺寸為0.65×0.855 mm2。在2-4 GHz頻帶內測試結果顯示：放大器帶內增益大于14dB，噪聲系數(shù)小于1 dB，P-1大于14 dBm，OIP3大于30 dBm。芯片在5V工作電壓下，電流為50 mA，可以滿足相關5G無線通信系統(tǒng)射頻前端的應用需求。

參考文獻

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