基于GaAs工藝超寬帶低噪聲放大器設計

黃國皓, 黃玉蘭, 楊小峰

(西安郵電大學 電子工程學院,陜西 西安710121)

0 引 言

近年來,單片微波集成電路(monolithic microwave integrated circuit,MMIC)依靠小體積、易集成、高可靠性等優(yōu)勢得到迅速發(fā)展,逐漸代替了傳統(tǒng)混合集成電路。隨著移動5 G通信的快速發(fā)展,需要同時傳輸語音、視頻和圖像等信息,對超寬帶的要求不斷提高,因此在保證放大器低噪聲、低功耗、高增益、小尺寸等性能前提下,擴展低噪聲放大器(low noise amplifier,LNA)帶寬成為研究熱點。

目前,業(yè)界學者對寬帶低噪聲放大器進行了一系列研究,LNA在電路結(jié)構(gòu)上分為反饋式[1～4]、平衡式、分布式[6～8]等,反饋式、平衡式LNA帶寬相對較窄,且平衡式LNA尺寸較大。分布式(distributed)結(jié)構(gòu)具有寬頻帶、駐波比小、電路的魯棒性較好等優(yōu)勢,但在超寬帶范圍內(nèi),功耗大、噪聲系數(shù)高、尺寸大等性能仍需改善。

使用CMOS工藝設計分布式LNA時,介質(zhì)損耗隨著頻率升高逐漸惡化,在超寬帶范圍內(nèi),很難同時實現(xiàn)高輸出功率和低噪聲性能。GaAs器件載流子遷移率和襯底電阻率較高,具有高增益、低噪聲等性能,因此本設計選用臺灣穩(wěn)懋公司0.15 μm GaAs pHEMT工藝,研制了一種低功耗、低噪聲、6倍頻程分布式低噪聲放大器。

1 分布式放大器原理

放大器基本原理是把輸入和輸出電感、電容各自引入到輸入輸出微帶線中,通過多個微帶線和晶體管形成有損微帶線,當微帶線負載與其特性阻抗相匹配時,等同于無頻率限制有損均勻微帶線,信號以行波模式在微帶線上傳輸。當輸入、輸出微帶線傳播相速相同時,輸入信號在晶體管中放大,理想狀態(tài)下,構(gòu)成無頻率約束的分布式放大器,所以分布式放大器具有寬頻帶和駐波比小等優(yōu)勢,n級分布式放大器簡化模型如圖1所示,Zg和Zd分別是柵極和漏極微帶線的特征阻抗,lg和ld分別是柵極和漏極微帶線長度。

圖1 n級分布式放大器簡化模型

將電路拆分成柵極傳輸線和漏極傳輸線分別進行分析,單位元柵極線和單位元漏極線等效模型如圖2所示。忽略損耗,其柵極線和漏極線的特征阻抗如式(1)和式(2)所示。

圖2 單位元等效模型

(1)

(2)

(3)

αd=Zd/2Rdsld

(4)

式中Lg和Ld分別為單位元長度柵極和漏極的電感,Cg和Cd分別為單位元長度柵極和漏極的電容,αg和αd分別為柵極和漏極衰減常數(shù)。理想狀態(tài)下,增益G和級數(shù)最佳值Nopt為

G=N2g2mZgZd/4

(5)

(6)

由式(5)和式(6)可知,增益隨著級數(shù)N增加不斷增大,但放大器柵極和漏極微帶線存在電阻損耗,輸入信號隨著微帶線距離輸入端越遠信號越弱,繼續(xù)增加晶體管單元級數(shù)不能提高增益,因此電路有一個最佳工作級數(shù)。最佳級數(shù)Nopt與晶體管參量、工作頻率以及微帶線特征阻抗有關。放大器的指標不僅需要高增益,還需要兼顧噪聲系數(shù)、回波損耗、功耗、芯片尺寸等方面,綜合考慮,分布式放大器采用5級拓撲結(jié)構(gòu)。

2 電路設計

25 GHz以下,柵寬越大,噪聲系數(shù)越高,且晶體管的跨導提高,增益增加,但柵源電容值越大,晶體管的截止頻率較低,柵指NOF為2,不同柵寬在增益和NFmin的變化情況如圖3所示。當晶體管柵寬為2 μm×100 μm,跨導較大,但整體噪聲系數(shù)大,晶體管柵寬為2 μm×25 μm,跨導較小,提高漏極電壓增加晶體管功耗,綜合考慮,選擇2個2 μm×55 μm的晶體管,使用Agilent公司ADS(Advanced Design System)軟件2016進行靜態(tài)直流工作點分析,確定Vg1=-0.2 V,Vg2=1.0 V,Vd=2.5 V,電流消耗71.7 mA。設計多級分布式放大器,防止放大器產(chǎn)生自激現(xiàn)象,保證其處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 不同柵寬增益和NFmin對比

通常單級共源結(jié)構(gòu)分布式放大器增益為9 dB,采用共源共柵(cascode)結(jié)構(gòu)作為LNA放大級實現(xiàn)高增益,共柵級晶體管在高頻部分具有負阻作用,補償漏極微帶線損耗,提升高頻部分增益,減小增益平坦度,擴展帶寬,消除第二級晶體管密勒效應,減小第一級晶體管密勒效應。把共源共柵結(jié)構(gòu)應用在分布式LNA中,增加較小芯片面積情況下,極大地改善了LNA的性能,cascode分布式放大器簡化電路如圖4所示。

圖4 Cascode分布式放大器簡化電路

在共源晶體管的源極添加小電感L1、兩晶體管間電感L2和輸出峰值電感L3增加帶寬和增益,由于電感值都是pH量級,用微帶線代替電感(微帶線線寬由工藝和特性阻抗Z0=70 Ω共同決定)減小芯片體積。共柵晶體管的柵極并聯(lián)一個去耦電容C,調(diào)節(jié)高頻端的增益起伏度,擴展帶寬范圍,同時穩(wěn)定電源減小高頻端噪聲,消除自激現(xiàn)象,使電路穩(wěn)定工作,不同電容對高頻端增益的影響如圖5所示。

圖5 不同電容對高頻端增益的影響

3 驗證結(jié)果與分析

原理圖仿真完成后進行版圖設計,電路版圖如圖6所示,尺寸為2.18 mm×1.24 mm,使用ADS軟件進行矩量法分析并生成模型,版圖聯(lián)合仿真結(jié)果如圖7,圖8,圖9所示,在工作頻率0.9～30 GHz內(nèi),增益為15±1 dB,平坦度較小,輸入和輸出回波損耗都小于-10 dB,整體電路回波損耗較好,典型噪聲系數(shù)為2.5 dB,當超過30 GHz時,噪聲系數(shù)急劇升高,增加柵極端去耦電容C容值,降低該頻段噪聲系數(shù),但增益會出現(xiàn)尖峰,因此需要選擇一個合適的電容值,如圖5所示,在14.6 GHz時,1 dB壓縮點輸出功率大于10 dBm,線性度良好。

圖6 分布式LNA電路版圖

圖7 S參數(shù)仿真結(jié)果

圖8 噪聲系數(shù)nf(2)

圖9 1 dB壓縮點輸出功率(14.6 GHz)

為突出LNA的超寬帶、低功耗的特點,將本文與文獻[4～8]進行對比,上述文獻均是使用 GaAs pHEMT工藝設計超寬帶LNA,文獻和文獻分別采用反饋式和平衡式拓撲技術(shù),文獻[6～8]均采用分布式基本原理,比較其帶寬、增益、噪聲系數(shù)、尺寸、功耗等參數(shù),對比情況如表1所示。通過與文獻[4～8]比較得知,本文研制的LNA具有6個倍頻程工作頻段,涵蓋P～Ka波段,最大噪聲系數(shù)小于3.5 dB,電路功耗僅為179.25 mW,總體性能表現(xiàn)優(yōu)異。

表1 與近年來發(fā)表的分布式放大器對比

4 結(jié) 論

本文使用0.15 μm GaAs pHEMT工藝,以共源共柵結(jié)構(gòu)作為放大級,研制了0.9～30 GHz分布式LNA,版圖聯(lián)合仿真達到預期指標,在工作頻率0.9～30 GHz以內(nèi),增益達到15 dB,噪聲系數(shù)小于3.5 dB,尺寸為2.7mm2,功耗僅為179.25mW,在保證各指標優(yōu)異前提下,實現(xiàn)擴展帶寬目標,達到6倍頻程。該波段包含所有的厘米波(SHF),可廣泛應用于數(shù)字、衛(wèi)星、波導通信等領域。