一種12 GHz 的高增益低噪聲放大器

何謨谞 ，胡鈞劍 ，高 博 ，賀良進(jìn)

(1.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610090；2.四川大學(xué) 物理學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

隨著無(wú)線通信的快速發(fā)展，低頻段已不能滿足應(yīng)用需求，使用頻段逐漸向高頻段發(fā)展。在X～Ku 波段中，12 GHz 頻段被廣泛用于衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)和高清電視數(shù)字廣播通信系統(tǒng)，同時(shí)，12 GHz 頻段還有望被用于5G 通信服務(wù)[1-2]。除此之外，該頻段也被用于個(gè)人醫(yī)療健康檢測(cè)，從生物電信號(hào)中提取特征信息以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的健康狀況[3]。12 GHz 低噪聲放大器是該類應(yīng)用研究中不可缺少的單元。

作為射頻前端的第一個(gè)有源電路，LNA 需要有高增益、低噪聲以及好的信噪比。在高頻段，LNA 的設(shè)計(jì)變得困難，各項(xiàng)性能指標(biāo)難以同時(shí)達(dá)到更好，對(duì)高增益、低噪聲、高集成度等性能的放大器提出了更高的挑戰(zhàn)[4]。

目前報(bào)道的文獻(xiàn)中，大都采用多級(jí)級(jí)聯(lián)以提高放大器的增益，級(jí)間需要匹配增加了電路的復(fù)雜程度以及芯片面積。在文獻(xiàn)[5]中，使用了共源共柵結(jié)構(gòu)和共源級(jí)設(shè)計(jì)LNA，實(shí)現(xiàn)了較高的峰值增益，但是，其使用了三級(jí)結(jié)構(gòu)，而且工作頻率較低；文獻(xiàn)[6]中也使用了共源共柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)LNA，可工作在較高的頻率下，由于使用的CMOS工藝在高頻下的局限性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較高的增益和較低的噪聲系數(shù)；文獻(xiàn)[7]中基于GaN 工藝設(shè)計(jì)的LNA 在X 波段下可實(shí)現(xiàn)較高的增益，但是噪聲系數(shù)和功耗很高；文獻(xiàn)[8]中采用級(jí)聯(lián)共源級(jí)實(shí)現(xiàn)的LNA，具有較低的功耗和噪聲，但是增益不是很高。

目前，已有MESFET、HEMT、GaAs pHEMT 等多種高性能低噪聲的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于放大器的設(shè)計(jì)。其中，GaAs pHEMT 晶體管，它在未摻雜GaAs 層和摻雜AlGaAs層中引入了InGaAs 薄層，這種特殊的結(jié)構(gòu)可使電子聚集在InGaAs 層的半導(dǎo)體界面附近，由于兩側(cè)是高能帶材料，因此電子在聚集層中具有非常高的流動(dòng)速度。這種結(jié)構(gòu)器件具有高的飽和電子速度、輸出跨導(dǎo)、器件電流等，從而可獲得更高的增益和較低的噪聲系數(shù)，并且具有更好的頻率性能[9]。

本文的高增益低噪聲放大器基于0.25 μm GaAs pHEMT 的TGF2040 晶體管進(jìn)行設(shè)計(jì)。該晶體管的工作頻率范圍覆蓋DC-20 GHz，在12 GHz 時(shí)有13 dB 的增益，并且在2 V、32 mA 的直流工作條件下最小噪聲系數(shù)為0.81 dB。設(shè)計(jì)中參考共源共柵結(jié)構(gòu)提出一種兩級(jí)增益結(jié)構(gòu)，在12 GHz 頻段實(shí)現(xiàn)了27 dB 以上的增益，同時(shí)兩級(jí)共用電流技術(shù)降低了電路功耗。

1 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

低噪聲放大器在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮噪聲系數(shù)、增益、穩(wěn)定性等多種因素，提高電路穩(wěn)定性的同時(shí)會(huì)使增益降低。在反射系數(shù)ΓS的復(fù)平面上畫出所選器件的等噪聲系數(shù)圓和等增益圓，它們各自的最佳位置不一致，不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)最小噪聲系數(shù)和最大功率增益，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)噪聲和功率進(jìn)行折中設(shè)計(jì)。

1.1 電路結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的高增益設(shè)計(jì)中，兩級(jí)LNA 設(shè)計(jì)采用兩個(gè)共源級(jí)級(jí)聯(lián)構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特性是增益為兩個(gè)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的增益積，具有高增益，但功耗也增加。

本次設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，借鑒共源共柵結(jié)構(gòu)，將共源級(jí)輸出通過(guò)電容耦合到共柵器件的輸入端，并采用電感串聯(lián)。通過(guò)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)形成了兩個(gè)共用電流的共源級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。射頻信號(hào)通過(guò)電容耦合沿實(shí)線路徑進(jìn)行傳輸，電感設(shè)計(jì)阻止射頻信號(hào)，直流偏置電流流經(jīng)虛線路徑為兩個(gè)晶體管所共用，達(dá)到節(jié)省功耗的目的。第一級(jí)晶體管的源端串聯(lián)負(fù)反饋電感L1，提高了電路的穩(wěn)定性，并且可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入端共軛匹配和最小噪聲匹配。第一級(jí)的柵-源之間并聯(lián)電容C1，用來(lái)匹配柵-源之間的寄生電容Cgs，調(diào)節(jié)最佳的輸入阻抗。級(jí)聯(lián)電感L2 改變了第一級(jí)放大器的輸出路徑，并作為第二級(jí)的源端負(fù)反饋，提高電路的穩(wěn)定性。電容C2 可以提高電路在高頻下的增益和帶寬。電容C3 作為交流電路中的參考地，影響交流通路中整個(gè)電路的穩(wěn)定性。

圖1 基本電路結(jié)構(gòu)

1.2 穩(wěn)定性分析

放大電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是電路的穩(wěn)定，以保證放大器能夠穩(wěn)定的在工作頻段內(nèi)完成放大功能。提高電路穩(wěn)定性的方法之一是在源端串聯(lián)負(fù)反饋電感，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)電感可使電路的最佳噪聲源反射匹配到共軛阻抗[10]。本設(shè)計(jì)采用源級(jí)退化電感增加電路的穩(wěn)定性。

放大電路是否穩(wěn)定常采用絕對(duì)穩(wěn)定系數(shù)K 來(lái)判斷，電路K 絕對(duì)穩(wěn)定的充分必要條件為：

通過(guò)CAD 軟件對(duì)電路進(jìn)行穩(wěn)定性模擬仿真，結(jié)果如圖2 所示，在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)，穩(wěn)定系數(shù)K 始終大于1，因此該電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 穩(wěn)定系數(shù)K 的曲線圖

1.3 匹配電路的設(shè)計(jì)與分析

電路的輸入端和輸出端均采用LC 階梯匹配網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)淙鐖D3 所示。該匹配網(wǎng)絡(luò)做電路匹配時(shí)有較小的Q值，在寬頻帶內(nèi)可以同時(shí)獲得低噪聲系數(shù)和高輸出功率增益，實(shí)現(xiàn)良好的輸入輸出匹配[11]。

圖3 LC 階梯匹配網(wǎng)絡(luò)

電路的等噪聲系數(shù)圓和等增益圓如圖4 所示。電路輸入端為實(shí)現(xiàn)最小噪聲系數(shù)，輸入端阻抗定義為m1點(diǎn)的最小噪聲系數(shù)阻抗，并匹配到50 Ω；輸出端匹配按照增益最佳匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 等噪聲系數(shù)圓和等功率增益圓

通過(guò)合理地設(shè)計(jì)LC 階梯匹配網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)電路的輸入輸出匹配。圖5 顯示了模擬的S11和S22在11.7～12.3 GHz內(nèi)滿足Γ=0.316，即回波損耗優(yōu)于-10 dB，表明設(shè)計(jì)的LC 階梯匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了良好的輸入輸出匹配。

圖5 基于LC 階梯匹配網(wǎng)絡(luò)的S11 和S22 仿真結(jié)果(Γ 為反射系數(shù))

1.4 電路性能分析

電容C1 并聯(lián)在第一級(jí)的柵-源之間，用來(lái)補(bǔ)償柵源的寄生電容Cgs，調(diào)節(jié)最佳的輸入匹配。通過(guò)對(duì)C1 進(jìn)行變量分析，得到不同的電容值對(duì)S11的影響，如表1 所示，取C1 的值為0.35 pF 時(shí)，可得到S11＜-10 dB 的最大的帶寬為2 GHz。

表1 C1 對(duì)S11 參數(shù)的影響

級(jí)聯(lián)的電容C2 與電感L2 以不同的作用對(duì)電路的增益和回波損耗有影響。表2 和表3 分別為電容C2 和電感L2 對(duì)增益(在12 GHz 時(shí))以及S11(S11＜-10 dB)和S22(S22＜-10 dB)的影響。隨著電容和電感從小到大的變化，增益先增大后減小，同時(shí)考慮S11和S22小于-10 dB 的帶寬，取C2=0.6 pF，L2=0.31 nH，可使電路在增益最大化的同時(shí)，輸入和輸出回波損耗都最佳。

表2 C2 對(duì)增益、S11、S22 參數(shù)的影響

表3 L2 對(duì)增益、S11、S22 參數(shù)的影響

2 電路仿真結(jié)果

整體電路結(jié)構(gòu)如圖6 所示，器件的直流工作點(diǎn)選取為：Vds=2 V、Ids=32 mA。

圖6 整體電路結(jié)構(gòu)圖

使用CAD 軟件進(jìn)行參數(shù)仿真，仿真結(jié)果如圖7 所示，在12 GHz 放大器的增益達(dá)到27.299 dB，最小噪聲系數(shù)為0.889 dB，同時(shí)S11和S22都小于-10 dB，說(shuō)明該電路在中心頻率為12 GHz 時(shí)有很好的匹配性，覆蓋范圍大概為11.7～12.3 GHz。

圖7 仿真結(jié)果

表4 展示了本次設(shè)計(jì)與同頻帶內(nèi)的LNA 的比較。所設(shè)計(jì)的共電流型兩級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)LNA 在12 GHz 的頻帶內(nèi)具有最高的增益、最小的噪聲系數(shù)(NF)以及較小的功耗。盡管所設(shè)計(jì)的LNA 頻帶較窄，僅為600 MHz 左右，但是滿足12 GHz 中心頻帶的應(yīng)用需求。

表4 不同文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的低噪聲放大器電路性能參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

本文基于0.25 μm GaAs pHEMT 的TGF2040 器件，借鑒了共源共柵結(jié)構(gòu)，通過(guò)改進(jìn)形成共電流型兩級(jí)低噪聲高增益放大器。用LC 階梯網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電路的輸入、輸出匹配，兩級(jí)結(jié)構(gòu)中都引入源級(jí)負(fù)反饋增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過(guò)CAD 仿真，該放大器在12 GHz 時(shí)有27.299 dB的高增益，噪聲系數(shù)為0.889 dB，在11.7～12.3 GHz 的頻率范圍內(nèi)，S11和S22均小于-10 dB，電路穩(wěn)定，具有良好的性能。