用于北斗接收機(jī)的低噪聲放大器芯片設(shè)計(jì)

李海鷗，卓 錦，李陳成，李 躍，孫堂友，張法碧，劉英博，李 璽，高 喜，張小文，李 琦，傅 濤，肖功利，陳永和，岳克強(qiáng)，孫玲玲

(1.桂林電子科技大學(xué) 精密導(dǎo)航技術(shù)與應(yīng)用廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.杭州電子科技大學(xué) 射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310037)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要支撐。我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)起步晚，但發(fā)展迅速，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的研究因此成為通信系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)，作為射頻前端的低噪聲放大器(low noise amplifier,簡稱LNA)是研究的重點(diǎn)[1]。低噪聲放大器廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、雷達(dá)探測及電子對抗等方面[2]，良好的低噪聲放大器有利于提高整個(gè)北斗接收機(jī)的靈敏度。隨著北斗接收機(jī)的研究越來越成熟，小型化和集成化成為研究趨勢。單片微波集成電路(momolithic microwave integrated circuit,簡稱MMIC)有利于減少北斗接收機(jī)的器件體積和功耗，實(shí)現(xiàn)小型化和集成化[3]。

通過對L波段MMIC LNA進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，采用兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)保證了合適的增益，并在設(shè)計(jì)前級輸入匹配時(shí)，選擇低噪聲的阻抗點(diǎn)和無電感串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配。采用成都海威華芯股份有限公司0.25 μm GaAs贗配高電子遷移率晶體管(pseudomorphic high electron mobility transistor,簡稱PHEMT)工藝，實(shí)現(xiàn)了在1.5～1.6 GHz頻帶內(nèi)的具有高增益、低噪聲和良好駐波比的MMIC LNA設(shè)計(jì)。在漏壓為3.3 V時(shí)，放大器工作總電流為60 mA，功率增益大于21 dB，工作頻帶內(nèi)輸入輸出駐波比小于1.8，噪聲系數(shù)小于2 dB，適用于北斗接收機(jī)前端。

1 理論分析

1.1 二端口散射參數(shù)網(wǎng)絡(luò)

在LNA設(shè)計(jì)中，二端口網(wǎng)絡(luò)被廣泛使用。一個(gè)帶有終端的二端口網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 帶有終端的二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖1中：ΓS為源端反射系數(shù)；ΓIN為輸入端反射系數(shù)；ΓOUT為輸出端反射系數(shù)；ΓL為負(fù)載反射系數(shù)；Z0為晶體管阻抗；ZS和ZL分別為源阻抗和負(fù)載阻抗[4]。通過S參數(shù)來表征晶體管特性，并結(jié)合反射系數(shù)來表達(dá)晶體管的匹配情況。

圖2(a)為輸入端反射系數(shù)的信號流程圖(signal flow graph，簡稱SFG)。圖1中的輸入反射系數(shù)為

(1)

由式(1)可看出，輸入反射系數(shù)不僅與晶體管的S參數(shù)有關(guān)，還與負(fù)載端的反射系數(shù)有關(guān)。同樣，由圖2(b)可寫出輸出反射系數(shù)

(2)

式(2)表明，輸出端的反射系數(shù)與晶體管的S參數(shù)和源端反射系數(shù)有關(guān)[5]。在設(shè)計(jì)輸入輸出匹配電路時(shí)，要考慮前后級之間的影響。

圖2 輸入、輸出端反射系數(shù)的SFG

1.2 噪聲系數(shù)

對于兩級級聯(lián)系統(tǒng)，噪聲系數(shù)的計(jì)算公式為

(3)

式(3)表明，在兩級級聯(lián)系統(tǒng)中，第一級噪聲F1占的比重最大，第二級噪聲F2則被第一級增益G1削弱。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，第一級以噪聲匹配為主，第二級以最大增益匹配為主。

在二端口放大器網(wǎng)絡(luò)中，噪聲系數(shù)可表示為

(4)

其中，F(xiàn)min、rn、Γopt為晶體管的噪聲參數(shù)。當(dāng)優(yōu)化的反射系數(shù)Γopt越接近源端反射系數(shù)ΓS，歸一化等效噪聲阻抗rn越小，得到的噪聲系數(shù)越接近最小噪聲系數(shù)Fmin。

1.3 增益與穩(wěn)定性

由放大器的設(shè)計(jì)理論可知，最大功率增益和最小噪聲系數(shù)通常無法兼得[6]。在LNA設(shè)計(jì)中，第一級按照最小噪聲阻抗點(diǎn)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，最佳噪聲匹配點(diǎn)和最大增益匹配點(diǎn)并非同一個(gè)阻抗點(diǎn)，在噪聲要求不很嚴(yán)格時(shí)，可以選擇最佳噪聲匹配點(diǎn)和最大增益匹配點(diǎn)中的某個(gè)位置進(jìn)行折中設(shè)計(jì)。此外，穩(wěn)定性也是LNA設(shè)計(jì)時(shí)不可忽視的重要因素。在二端口網(wǎng)絡(luò)中，定義參量Δ,

Δ=S11S22-S12S21。

(5)

那么穩(wěn)定性系數(shù)K為

(6)

當(dāng)K>1且Δ<1時(shí)，放大器處于無條件穩(wěn)定狀態(tài)。通常在設(shè)計(jì)LNA時(shí)，需要特別注意低頻的增益不宜過高，否則易引起放大器在低頻振蕩。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 工藝庫分析

圖3為海威華芯公司0.25 μm GaAs pHEMT工藝制程，pHEMT采用柵長0.25 μm的T型柵工藝，電阻為氮化鉭(TaN)和砷化鎵(GaAs)電阻，電容為MIM電容，電感為高Q的螺旋電感和方形電感。采用先進(jìn)的襯底減薄和背面通孔工藝，減少接地通孔引起的寄生電感，同時(shí)漏極工作電壓Vd高達(dá)8 V，擊穿電壓Vgd可達(dá)18 V。閾值電壓Vth為-1.1 V，飽和漏電流Idss為360 mA/mm，典型跨導(dǎo)Gm為450 mS/mm。

圖3 海威華芯0.25 μm GaAs pHEMT 工藝制程

2.2 器件選擇

MMIC LNA設(shè)計(jì)中，晶體管的選擇決定了性能的最大值，因此尤為重要。優(yōu)選器件庫中8指25 μm柵寬和8指50 μm柵寬2種尺寸的晶體管作為該設(shè)計(jì)的主要晶體管，其性能對比如圖4所示。從圖4可看出，8指25 μm柵寬有著很低的噪聲系數(shù)，作為第一級；而8指50 μm柵寬有著很高的增益，作為第二級。

圖4 2種尺寸晶體管性能對比

2.3 偏置電路

偏置電路為晶體管提供工作所需的穩(wěn)定電壓和穩(wěn)定電流。同時(shí)偏置電路中的扼流電感能濾除晶體管所產(chǎn)生的高頻信號、高次諧波，旁路電容能濾除電路中的低頻信號，避免干擾直流源。為了方便施加直流電壓，各級放大器均采用相同的偏壓，并使用公共偏壓路徑。通過對晶體管的特性進(jìn)行分析，選擇VDS=3.3 V，VGS=-0.8 V，該直流偏置點(diǎn)具有很好的跨導(dǎo)和很低的最小噪聲系數(shù)Fmin。

2.4 整體電路結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的1.5～1.6 GHz MMIC LNA的整體電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。采用兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，第一級重點(diǎn)在于低噪聲設(shè)計(jì)，第二級側(cè)重于高增益設(shè)計(jì)。第二級在晶體管柵漏端并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的反饋電路是由電容、電感和電阻串聯(lián)形成，電阻用來調(diào)節(jié)低頻增益、電感阻斷高頻信號，電容則調(diào)節(jié)信號相位和隔離直流信號[7]。用微帶線取代電感達(dá)到了同樣效果，進(jìn)一步縮小芯片面積。

圖5 整體電路結(jié)構(gòu)示意圖

匹配電路是MMIC LNA設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分。因?yàn)槲赐饧釉糠?，后期很難調(diào)試，所以必須保證設(shè)計(jì)有足夠的裕量應(yīng)對工藝的偏差[8]。采用兩級級聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要3個(gè)部分的匹配設(shè)計(jì)。在輸入匹配中，偏置電路中的扼流電感參與了匹配設(shè)計(jì)，有利于縮小芯片面積；在級間匹配中，采用π型匹配將第一級輸出端最大增益匹配的高阻抗變換成第二級輸入端最佳噪聲匹配的低阻抗，進(jìn)一步減少電路的噪聲；在輸出匹配中，同樣將扼流電感引入匹配設(shè)計(jì)中[9]。

實(shí)際電路中的匹配電容和電感場均有損耗，即匹配電路增益會下降，這有利于整體電路穩(wěn)定性的提高[10]。版圖仿真的穩(wěn)定性系數(shù)K如圖6所示。從圖6可看出，電路在整個(gè)頻段穩(wěn)定系數(shù)都大于1，可滿足全頻段穩(wěn)定。

圖6 LNA的穩(wěn)定性曲線

3 測試結(jié)果

該芯片采用成都海威華芯公司0.25 μm GaAs PHEMT工藝，芯片設(shè)計(jì)照片如圖7所示。鍵合焊盤在芯片下方，從左至右分別為柵極和漏級供電，芯片面積為1 mm×2 mm。

圖7 LNA芯片照片

在測試腔體中對芯片進(jìn)行測試。在漏極電壓VDS=3.3 V，柵極電壓VGS=-0.8 V的條件下，獲得如圖8所示的實(shí)測S參數(shù)和噪聲系數(shù)結(jié)果，芯片的測試腔體照片如圖9所示。

圖8 LNA S參數(shù)曲線和噪聲系數(shù)曲線

圖9 測試腔體照片

因?yàn)闇y試時(shí)是將芯片置于腔體中由鍵合線引出，所以鍵合線帶來的寄生參數(shù)會引起噪聲和反射系數(shù)的惡化。

4 結(jié)束語

采用海威華芯公司的0.25 μm GaAs PHEMT工藝，成功實(shí)現(xiàn)一款工作在1.5～1.6 GHz頻段的MMIC LNA。電路采用雙電源供電，兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用源級串連電感和柵漏端并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了良好的低噪聲和高增益。通過理論、工藝庫分析、器件選擇、靜態(tài)偏置點(diǎn)選取，到分析電路設(shè)計(jì)過程，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了一款用于北斗接收機(jī)前端的低噪聲放大器，增益大于21 dB，全工作頻帶內(nèi)回波損耗大于10，具有很好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。