超寬帶低功耗低噪聲放大器芯片

劉瑩 王測(cè)天 鄔海峰 廖學(xué)介 王為

摘? 要：介紹了一款基于GaAs 0.15 μm pHEMT工藝的2～18 GHz超寬帶低功耗低噪聲放大器芯片的設(shè)計(jì)，給出了在片測(cè)試結(jié)果。該芯片采用結(jié)合有源偏置和并聯(lián)負(fù)反饋技術(shù)的改進(jìn)型共源共柵放大結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以使放大器在超寬帶的工作頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低噪聲、低功耗和較高增益，同時(shí)減小放大器性能對(duì)工藝波動(dòng)的敏感程度。在2～18 GHz的超寬帶頻率范圍內(nèi)，該芯片實(shí)測(cè)噪聲系數(shù)≤1.4 dB，增益≥14 dB，且具有3 dB的正斜率，輸出P-1功率≥12 dBm，輸入輸出駐波≤1.6，整個(gè)芯片功耗僅為0.15 W，芯片尺寸僅為：1.4 mm×1.1 mm×0.1 mm。

關(guān)鍵詞：超寬帶；低功耗；低噪聲放大器芯片；有源偏置

中圖分類號(hào)：TN72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）01-0051-04

Ultra Wideband Low Power Consumption Low Noise Amplifier Chip

LIU Ying， WANG Cetian， WU Haifeng， LIAO Xuejie， WANG Wei

（Chengdu Ganide Technology Co.， Ltd.， Chengdu? 610220， China）

Abstract： In this paper， the design of 2～18 GHz ultra wideband low noise amplifier chip based on GaAs 0.15 μm pHEMT process is introduced， and on wafer test results are presented. The chip uses and combines with the active bias and parallel negative feedback cascade amplifier structure， and the structure can make the amplifier achieve low noise， low power consumption and higher gain in the range of working frequency band of ultra wideband. At the same time， it reduces the sensitivity of amplifier performance to process fluctuations. In the 2～18 GHz ultra wideband frequency range， measured noise coefficient of the chip is less than and equal to 1.4 dB， a gain is more than and equal to 14 dB， and it has 3 dB Positive Slope， the output of P-1 power is more than 12 dBm， the input and output of VSWR are less than and equal to 1.6， and the power consumption of the chip is only 0.15 W. The chip size is only 1.4 mm×1.1 mm ×0.1mm.

Keywords： ultra wideband; low power consumption; low noise amplifier chip; active bias

0? 引? 言

隨著無線通信技術(shù)和電子對(duì)抗技術(shù)的快速發(fā)展，寬帶芯片類核心元器件的需求越來越多，性能要求也越來越高，特別是在航天、軍事、物聯(lián)網(wǎng)、無線5G通信等領(lǐng)域，都向著更廣的覆蓋范圍、更高的頻段、更高的傳輸率、更廣的覆蓋范圍、更強(qiáng)的兼容性的目標(biāo)發(fā)展。因此寬帶芯片的應(yīng)用也越來越廣泛。提高帶寬可以使設(shè)備的兼容性更高，大大提高了電子設(shè)備的性能，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，降低成本、功耗和體積。

低噪聲放大器應(yīng)用在接收機(jī)的最前端，其性能直接影響著接收機(jī)的整體性能。肥皂水放大器的噪聲系數(shù)和增益決定了接收機(jī)的信噪比，極大程度的影響著整個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能，若低噪聲放大器自身的噪聲系數(shù)不好，則會(huì)使噪聲信號(hào)形成雜波，造成信號(hào)失身，降低系統(tǒng)的靈敏度。因此低噪聲放大器性能的好壞直接影響接收機(jī)的靈敏度，而如何在寬帶工作范圍內(nèi)涉及出性能優(yōu)良的低噪聲放大器一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

對(duì)于芯片工藝的選擇，GaAs工藝是Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體工藝中常用的一種工藝，也是當(dāng)前最重要，技術(shù)成熟度最高的化合物半導(dǎo)體材料之一，對(duì)比GaAs化合物和硅基工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，GaAs有較高的電子遷移率，具有高晶體管跨導(dǎo)，其增益和噪聲系數(shù)性能更優(yōu)；而且相比硅基工藝的襯底絕緣性能更好，電感電容Q值更高。而對(duì)于GaAs工藝中晶體管的類型的選擇，HEMT高電子遷移率晶體管相較于HBT雙極性晶體管，在噪聲系數(shù)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。綜合考慮，為了實(shí)現(xiàn)2～18 GHz超寬帶工作頻帶內(nèi)的低噪聲和中功率輸出特性，該芯片選擇基于GaAs 0.15 μm PHEMT工藝來設(shè)計(jì)。

本文介紹的基于GaAs 0.15 μm pHEMT工藝2～18 GHz低噪聲放大芯片不僅在超寬帶頻帶內(nèi)具有低噪聲和低功耗的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有正斜率的高增益特性，同時(shí)其對(duì)工藝波動(dòng)的敏感度較低，具有很好的實(shí)際應(yīng)用性能。

1? 低噪聲放大芯片的設(shè)計(jì)

1.1? 電路結(jié)構(gòu)的選擇

低噪聲放大器基本性能指標(biāo)包括小信號(hào)增益、噪聲系數(shù)、回波損耗、穩(wěn)定性、輸出功率1 dB壓縮點(diǎn)、線性度、功耗等。低噪聲放大器的增益特性代表的是其對(duì)小信號(hào)的放大能力，可以通過二端口網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行公式推導(dǎo)。低噪聲放大器的噪聲系數(shù)是其重要指標(biāo)，它指的是輸入信噪比和輸出信噪比的比值，直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)好壞。對(duì)于寬帶放大器的設(shè)計(jì)，難點(diǎn)在于晶體管呈每倍頻程增益下降的規(guī)律，端口駐波、功率也會(huì)隨之變差，噪聲系數(shù)也會(huì)惡化，此外穩(wěn)定性是放大器能夠正常工作的前提，設(shè)計(jì)中必須保證放大電路在全頻帶范圍內(nèi)保持絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，這也是寬帶放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。

國內(nèi)射頻寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)研究在近幾年發(fā)展快速，取得了豐富的研究成果，在技術(shù)和結(jié)構(gòu)上取得了突破性的進(jìn)展。目前，業(yè)界廣泛使用且較為成熟的寬帶放大去電路結(jié)構(gòu)主要包括：平衡式寬帶結(jié)構(gòu)、電流復(fù)用寬帶結(jié)構(gòu)、共源共柵寬帶結(jié)構(gòu)、負(fù)反饋結(jié)構(gòu)、行波寬帶結(jié)構(gòu)等，而每種結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，表1對(duì)常用寬帶放大電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)性能進(jìn)行比較。實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，往往不是采用單一的寬帶技術(shù)，而是結(jié)合多種寬帶技術(shù)，發(fā)揮每種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用其他技術(shù)改進(jìn)其不足，不斷提高電路的整體性能。

芯片電路設(shè)計(jì)中對(duì)電路結(jié)構(gòu)的選擇十分重要，需要設(shè)計(jì)者根據(jù)詳細(xì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，對(duì)比每種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇適合的電路拓?fù)?。由?中各種寬帶放大器電路結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比可見，本設(shè)計(jì)需要在2～18 GHz超寬帶頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)低噪聲、較高增益和中等的輸出功率，且滿足較低功耗和低成本的要求，需要選擇噪聲系數(shù)良好，增益和輸出功率性能良好且面積較小的電路結(jié)構(gòu)，綜上分析，因此該芯片采用共源共柵寬帶放大結(jié)構(gòu)，并結(jié)合并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)；RLC并聯(lián)負(fù)反饋和新型直流饋電結(jié)構(gòu)達(dá)到進(jìn)一步拓展帶寬，提高電路穩(wěn)定性的效果；采用共源共柵結(jié)構(gòu)達(dá)到提高輸出電壓擺幅、電路的增益和隔離度的效果；同時(shí)由于本設(shè)計(jì)選擇的工藝放大管類型為增強(qiáng)型晶體管管，先比于耗盡型晶體管，它可以實(shí)現(xiàn)單電源供電且具有較優(yōu)的噪聲系數(shù)，但其對(duì)工藝參數(shù)的波動(dòng)更敏感，因此在共源管的柵極偏置部分采用新型有源偏置結(jié)構(gòu)來改善電路隨工藝波動(dòng)的敏感度。

1.2? 放大器的設(shè)計(jì)

該2～18 GHz超寬帶低功耗低噪聲放大器芯片的電路拓?fù)淙鐖D1所示。為了在超寬帶范圍內(nèi)獲得較低噪聲、較高增益和中等功率特性，放大電路部分采用改進(jìn)的共源共柵結(jié)合并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)；放大電路的直流偏置部分，為放大晶體管提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，放大電路在該工作點(diǎn)在能正常工作，發(fā)揮出良好穩(wěn)定的射頻性能。直流偏置部分的濾波網(wǎng)絡(luò)還需濾除電源紋波雜波，隔離射頻與直流信號(hào)以保證電路正常工作。對(duì)于共源晶體管柵極偏置部分采用新型有源偏置結(jié)構(gòu)，對(duì)于共柵晶體管柵極偏置部分采用無源偏置結(jié)構(gòu)，對(duì)于共柵晶體管漏極Vdd供電部分采用兩個(gè)扼流電感串聯(lián)，并引入RC并聯(lián)單元已消除帶內(nèi)諧振點(diǎn)的結(jié)構(gòu)來拓展低頻帶寬，同時(shí)電源端口采用并聯(lián)C1地和串聯(lián)RC到地電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電源低頻和高頻自激不穩(wěn)定信號(hào)進(jìn)行抑制。由于選用的晶體管工藝為增強(qiáng)型工藝，其噪聲系數(shù)和gm均占優(yōu)勢(shì)，但工藝波動(dòng)較耗盡型工藝略差，因此柵極偏置采用的新型有源偏置結(jié)構(gòu)具有柵壓補(bǔ)償效果，能夠減小芯片性能隨工藝波動(dòng)的敏感度，提高芯片一致性，同時(shí)提高電路的線性度。

通過對(duì)放大晶體管進(jìn)行直流分析，可選取晶體管的直流工作點(diǎn)（如圖2所示），根據(jù)指標(biāo)要求，對(duì)晶體管進(jìn)行小信號(hào)特性（如圖3所示）和loadpull 輸出1 dB功率特性（如圖4所示）分析比較，選定晶體管的尺寸大小。該芯片共源共柵放大單元采用4×50 μm柵寬的晶體管。

在確定了放大器的電路結(jié)構(gòu)、晶體管尺寸大小和直流工作點(diǎn)后，可以對(duì)放大器的輸入輸出端進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)；對(duì)于RLC并聯(lián)負(fù)反饋部分，電容C為隔直作用，低頻處需要很大的容值確保負(fù)反饋信號(hào)通過，電阻R主要影響反饋量，通過調(diào)整阻值大小來調(diào)整負(fù)反饋深度。芯片設(shè)計(jì)中，結(jié)合阻抗匹配技術(shù)給元件賦予合適的初始值，再以增益、噪聲、輸入/輸出駐波、P1dB等指標(biāo)為目標(biāo)進(jìn)行指標(biāo)優(yōu)化，反復(fù)調(diào)整指導(dǎo)放大器的原理圖達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求并留有一定冗余量；接下來進(jìn)行版圖的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并根據(jù)版圖布局需要反過來對(duì)原理圖電路進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)優(yōu)化迭代至指標(biāo)滿足要求。最終整體版圖設(shè)計(jì)完成后，再根據(jù)DRC規(guī)則做check和修改，確認(rèn)性能后就可以進(jìn)行流片。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

流片后的2～18 GHz超寬帶低功耗低噪聲放大器的芯片實(shí)物照片如圖5所示。整體芯片的尺寸僅為：1.4 mm×1.1 mm×0.1 mm。

對(duì)該超寬帶低功耗低噪聲放大器芯片進(jìn)行了探針臺(tái)在片測(cè)試，其中射頻探針采用間距150 μm的GSG探針，直流探針采用單針進(jìn)行+5 V饋電。在常溫工作條件下，直流偏置電壓為Vdd＝5 V，得到芯片工作電流Idd＝28 mA。該芯片的在片測(cè)試結(jié)果如圖6～圖9所示。圖6為低噪聲放大器噪聲系數(shù)的實(shí)測(cè)曲線，噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果≤1.4 dB；圖7為低噪聲放大器小信號(hào)增益的實(shí)測(cè)曲線，小信號(hào)增益實(shí)測(cè)結(jié)果在全頻段范圍內(nèi)為14～17 dB，且為正斜率；圖8為低噪聲放大器輸入輸出駐波的實(shí)測(cè)曲線，輸入輸出駐波實(shí)測(cè)結(jié)果均≤1.6；圖9為低噪聲放大器輸出P1dB功率實(shí)測(cè)曲線，輸出P1dB功率在全頻段范圍內(nèi)≥12 dBm；所有指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3? 結(jié)? 論

本文主要介紹了一款基于GaAs 0.15 um pHEMT工藝的2～18 GHz超寬帶低功耗低噪聲放大器芯片的設(shè)計(jì)過程和在片測(cè)試結(jié)果。該芯片采用結(jié)合有源偏置和并聯(lián)負(fù)反饋技術(shù)的改進(jìn)型共源共柵放大結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使放大器在超寬帶的工作頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低噪聲、低功耗、較高的增益和功率特性，同時(shí)減小了放大器性能受工藝波動(dòng)的敏感程度。由在片測(cè)試結(jié)果可知，在2～18 GHz超寬帶工作頻率范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)≤1.5 dB，增益≥14 dB，且具有3 dB的正斜率，輸出P-1功率≥12 dBm，輸入輸出駐波≤1.6，功耗＜0.15 W，芯片尺寸僅為：1.4 mm×1.1 mm×0.1 mm。該低噪聲放大芯片實(shí)測(cè)結(jié)果良好，具有超寬帶、低功耗、低成本、高性能的優(yōu)勢(shì)，在電子通信系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡介：劉瑩（1986.05—），女，漢族，四川夾江人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：射頻微波毫米波芯片設(shè)計(jì)。

收稿日期：2022-09-26