0.8～18 GHz放大衰減多功能芯片

劉瑩 廖學(xué)介 鄔海峰 王測天 滑育楠

摘? 要：文章介紹了基于GaAs 0.15 μm pHEMT工藝的0.8～18 GHz放大衰減多功能芯片的設(shè)計(jì)，給出了在片測試結(jié)果。該芯片集成了共源共柵行波放大單元、三位數(shù)控衰減單元和三位并行驅(qū)動單元，在0.8～18 GHz的超寬帶頻率范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)典型值≤4.5 dB，增益≥11 dB，且具有3 dB的正斜率，P-1大于13 dBm，輸入輸出駐波≤1.8，3 bit數(shù)控衰減單元2/4/8 dB，衰減精度≤0.5 dB。其中放大器采用單電源+3.3 V供電，工作電流小于60 mA，TTL驅(qū)動電路采用-5 V供電，工作電流小于3 mA。芯片尺寸為：2.6 mm×2.8 mm×0.1 mm。

關(guān)鍵詞：pHEMT；0.8～18 GHz；放大衰減多功能芯片

中圖分類號：TN72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）02-0053-04

GHz Amplification and Attenuation Multi-Function Chip

LIU Ying， LIAO Xuejie， WU Haifeng， WANG Cetian， HUA Yunan

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

Abstract： In this paper， the design of 0.8～18 GHz amplification and attenuation multi-function chip based on GaAs 0.15 μm pHEMT process is introduced， and on wafer test results are presented. The chip integrates Cascade traveling wave amplifier， 3-bit digital attenuator and the TTL drive circuit. In the 0.8～18 GHz ultra wideband frequency range， the typical values of noise coefficient is less than and equal to 4.5 dB， a gain is more than and equal to 11 dB， and it has 3 dB Positive Slope， the P-1 is more than 13 dBm， the input and output of VSWR are less than and equal to 1.8， the 3-bit digital attenuator 2/4/8 dB， the battenuation accuracy is less than and equal to 0.5 dB. The amplifier uses the single +3.3 V power supply， and the working current is less than 60 mA. The TTL drive circuit uses the -5 V power supply， and the working current is less than 3 mA. The chip size is 2.6 mm×2.8 mm ×0.1 mm.

Keywords： pHEMT; 0.8～18 GHz; amplification and attenuation multi-function chip

0? 引? 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，各種電子系統(tǒng)對于芯片類核心元器件的性能要求越來越高，特別是在電子對抗領(lǐng)域，超寬帶芯片的應(yīng)用越來越廣泛。在電子對抗設(shè)備的偵察、干擾，各類寬頻雷達(dá)探測，儀器儀表，多功能通信、制導(dǎo)等方面，微波單片集成電路MMIC作為系統(tǒng)的核心元器件發(fā)揮著非常重要的作用，而多功能芯片的開發(fā)使得MMIC集成度高、體積小、生產(chǎn)一致性好、批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢發(fā)揮得更加充分，大大提高了電子設(shè)備的性能。

多功能芯片的設(shè)計(jì)一般是利用Ⅲ-Ⅴ族化合物工藝或者硅基工藝來實(shí)現(xiàn)，兩者各有優(yōu)劣，Ⅲ-Ⅴ族化合物工藝射頻性能較好，能獲得更低的噪聲系數(shù)以及高功率容量；而硅基工藝集成度高，成本低，而且隨著制程的持續(xù)發(fā)展，特征頻率在不斷提高，被越來越多地用于射頻微波集成電路中。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，相對于硅基工藝，GaAs電子遷移率高，禁帶寬度大，射頻性能好。為了實(shí)現(xiàn)0.8～18 GHz超寬帶工作頻帶內(nèi)的低噪聲放大和高精度的幅度控制，該芯片選擇基于GaAs 0.15 μm pHEMT工藝來設(shè)計(jì)。基于GaAs pHEMT工藝制作的MMIC由于具有優(yōu)異的射頻性能和制造工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于寬帶射頻系統(tǒng)中。對于射頻收發(fā)系統(tǒng)，通常需要對放大鏈路的增益進(jìn)行控制，通過放大衰減多功能芯片可以實(shí)現(xiàn)高集成度、低成本、高性能的優(yōu)勢。

本文介紹的基于GaAs pHEMT工藝設(shè)計(jì)的0.8～18 GHz放大衰減多功能芯片不僅在超寬帶頻帶內(nèi)具有較高的增益、輸出功率和衰減精度，而且還具有正斜率的增益特性和較低功耗特性，具有很好的實(shí)際應(yīng)用性能。

1? 放大衰減多功能芯片的設(shè)計(jì)

1.1? 電路結(jié)構(gòu)及器件的選擇

超寬帶放大器芯片的頻率范圍可以從1個(gè)倍頻程到幾個(gè)倍頻程，甚至DC-60 GHz或更高。常用的超寬帶放大器電路結(jié)構(gòu)有：平衡結(jié)構(gòu)、電流復(fù)用加反饋結(jié)構(gòu)、共源共柵結(jié)構(gòu)、行波結(jié)構(gòu)等。平衡式放大器電路結(jié)構(gòu)上大多采用Lange耦合器或balun等三端口器件將兩路相同的放大器合成為一路輸出，其頻率帶寬受限于耦合器的帶寬。而反饋式放大器通常是在電路中加入負(fù)反饋電路來彌補(bǔ)晶體管自身增益隨頻率增加而下降的趨勢，從而擴(kuò)寬放大器的帶寬，其缺點(diǎn)是引入的負(fù)反饋電路會帶來對電路增益、噪聲、功率等指標(biāo)的損失。由于平衡式放大器和反饋式放大器只能實(shí)現(xiàn)有限的頻率擴(kuò)寬效果。行波放大器是一種常見的超寬帶放大器結(jié)構(gòu)，對比其他結(jié)構(gòu)的寬帶放大器來說，有著更好的增益平坦度和駐波，而且電路緊湊占用芯片面積較小。行波放大器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將晶體管柵極和漏級的寄生電容用作傳輸線匹配電路的一部分，再加上傳輸線的等效電感共同構(gòu)成了分布式的微帶傳輸線結(jié)構(gòu)來擴(kuò)寬帶寬，并通過多個(gè)單元電路的增益及功率疊加效應(yīng)來提高整體電路的增益和輸出功率值。共源共柵結(jié)構(gòu)是是在共源管上堆疊了一個(gè)共柵管，共柵管提供的低負(fù)載阻抗使得下方的共源級產(chǎn)生的增益不會很大，這就降低了密勒電容的影響，提高了放大器的反向隔離性，同時(shí)共源共柵結(jié)構(gòu)提供較高的輸出阻抗和電壓增益。

本設(shè)計(jì)需要在0.8～18 GHz超寬帶頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的增益和中等的輸出功率，且滿足較低功耗的要求，單個(gè)行波結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)，因此放大單元采用改進(jìn)的6級行波放大結(jié)合共源共柵結(jié)構(gòu)，將每個(gè)行波放大單元采用共源共柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，能獲得更高的增益特性，同時(shí)結(jié)合RC均衡單元，獲得正斜率的增益特性。

衰減器是許多RF通信，雷達(dá)和測量系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一。衰減器的主要功能是為各種目的提供幅度控制。對于相控陣應(yīng)用，衰減器應(yīng)提供對天線輻射方向圖旁瓣的精確控制。為了實(shí)現(xiàn)寬帶大規(guī)模相控陣系統(tǒng)，衰減器相對于可變增益放大器（VGA）更為合適.。衰減器主要工作在參考態(tài)和衰減態(tài)，在不同的工作狀態(tài)下，注重的性能指標(biāo)也有所不同，主要有插入損耗、駐波比、衰減精度、附加相移和衰減動態(tài)范圍等。常用的衰減器電路結(jié)構(gòu)有：T型結(jié)構(gòu)、π型結(jié)構(gòu)和開關(guān)切換型結(jié)構(gòu)等。為了實(shí)現(xiàn)更好的電路性能，在設(shè)計(jì)不同衰減量的數(shù)控衰減器時(shí)電路拓?fù)湟灿兴鶇^(qū)別，通常來說T型衰減結(jié)構(gòu)用于小衰減量的衰減器設(shè)計(jì)，π型衰減結(jié)構(gòu)用于大衰減量的衰減器設(shè)計(jì)，而開關(guān)切換型衰減結(jié)構(gòu)用于對附加相移要求較高的大衰減位，插損相對較大。本設(shè)計(jì)要在0.8～18 GHz超寬帶頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)2 dB/4 dB/8 dB三位數(shù)控高精度衰減，同時(shí)獲得較小的插入損耗和駐波指標(biāo)，附加相移無指標(biāo)要求，因此衰減單元采用π型衰減結(jié)構(gòu)。

由于該芯片設(shè)計(jì)指標(biāo)對輸出P1dB功率和功耗的要求較高，而對于噪聲系數(shù)指標(biāo)而言，單個(gè)行波放大器的噪聲系數(shù)還有一定余量，經(jīng)過鏈路指標(biāo)核算，將3bit數(shù)控衰減單元放在靠近射頻輸入端口行波放大單元的前端。

1.2? 放大單元和衰減單元的設(shè)計(jì)

根據(jù)多功能芯片的整體指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)初期需要對各個(gè)單元電路進(jìn)行合理地指標(biāo)分配和尺寸預(yù)估，然后開展單元電路的設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行級聯(lián)仿真優(yōu)化。對于放大單元的設(shè)計(jì)，首先對所用有源放大管進(jìn)行直流分析，獲得晶體管的直流工作點(diǎn)。根據(jù)器件實(shí)際使用中的工作狀態(tài)，對電路進(jìn)行小信號S參數(shù)、噪聲和功率特性的分析。為了在超寬帶范圍內(nèi)獲得較低噪聲、較高增益和功率特性，放大電路中采用6級行波放大結(jié)合共源共柵結(jié)構(gòu)，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。Vdd饋電部分如圖2所示，采用L1和L2兩個(gè)扼流電感串聯(lián)，并將扼流電感L2和小電阻R1并聯(lián)已消除電感引入的帶內(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到地和串聯(lián)R2、C2到地電路實(shí)現(xiàn)對電源低頻和高頻自激不穩(wěn)定信號進(jìn)行抑制。根據(jù)FOUNDRY廠家提供的器件參數(shù)，經(jīng)過分析比較，共源共柵放大單元的兩級均采用4×25 μm柵寬的晶體管；根據(jù)增益和功率的指標(biāo)要求，行波放大單元采用六級；同時(shí)放大單元輸出端增加了RC結(jié)構(gòu)均衡單元對增益進(jìn)行正斜率均衡，更加有利于芯片在系統(tǒng)中的應(yīng)用。

為兼顧良好的射頻性能和版圖尺寸，對于不同 衰減量的單元電路，采用了不同的電路拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計(jì)。對于衰減單元的設(shè)計(jì)，通過分析開關(guān)管的通斷特性，為了兼顧插損和衰減精度，衰減單元串聯(lián)管采用4×50 μm柵寬的開關(guān)管，并聯(lián)管采用2×10 μm柵寬的開關(guān)管。2 dB和4 dB衰減單元均采用一級π型衰減結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，8 dB衰減單元則采用兩個(gè)4 dB單元級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，以獲得2～14 dB衰減范圍內(nèi)良好的衰減精度和駐波特性。此外，芯片內(nèi)部集成了三位并行驅(qū)動單元，如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)通過外部TTL控制電平對各衰減狀態(tài)的切換。并行驅(qū)動電路將外部0 V/5 V的TTL信號轉(zhuǎn)換成0 V/-5 V的互補(bǔ)信號，驅(qū)動數(shù)控衰減器。輸入端采用LEF邏輯管作為二極管進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。邏輯運(yùn)算電路和輸出驅(qū)動電路則由LEF邏輯管和電阻組成。

確定電路拓?fù)浜螅Y(jié)合阻抗匹配技術(shù)給元件賦予合適的初始值，以增益、噪聲、輸入/輸出駐波、P1dB等指標(biāo)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化好放大單元的原理圖，以插損、駐波、衰減精度等指標(biāo)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化好衰減單元的原理圖。在電路原理圖仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行級聯(lián)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整原理圖參數(shù)知道級聯(lián)仿真滿足指標(biāo)要求且留有一定余量。

接下來進(jìn)行單元版圖的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并根據(jù)版圖布局需要反過來對單元電路進(jìn)行調(diào)整。單元電路版圖調(diào)整好后再進(jìn)行級聯(lián)調(diào)整整體版圖。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

流片后的放大衰減多功能芯片照片如圖4所示。整體芯片尺寸為：2.6 mm×2.8 mm×0.1 mm。

對該放大衰減多功能芯片進(jìn)行了探針臺在片測試，在常溫工作條件下，直流偏置Vdd＝3.3 V、Vee＝-5 V、Idd＝60 mA，Iee＝3 mA，控制真值表如表1所示，在片測試結(jié)果如圖5～圖9所示。圖5為噪聲系數(shù)的實(shí)測曲線，噪聲實(shí)測結(jié)果典型值＜4.5 dB；圖6為小信號增益的實(shí)測曲線，增益實(shí)測結(jié)果在全頻段范圍內(nèi)為11～14 dB，且為正斜率；圖7為輸入輸出駐波實(shí)測曲線，輸入輸出駐波均≤1.7；圖8為輸出P1dB功率實(shí)測曲線，功率在全頻段范圍內(nèi)＞13.5 dBm；圖9為衰減精度實(shí)測曲線，衰減精度≤0.5 dB；實(shí)測結(jié)果均達(dá)到指標(biāo)要求。

3? 結(jié)? 論

由在片測試結(jié)果可知，在0.8～18 GHz超寬帶工作頻率范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)典型值≤4.5 dB，增益＞11 dB，且具有3 dB的正斜率，P-1大于13 dBm，輸入輸出駐波≤1.8，衰減精度≤0.5 dB，工作電流60 mA@3.3 V、3 mA@-5 V?？傮w來說，該超寬帶放大衰減多功能芯片射頻性能優(yōu)良，集成度高，功耗低，可廣泛應(yīng)用于多種通信電子系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] JARIHANI A E，KOCER F. A phase coherent 7-bit digital step attenuator on 0.18μm SOI [C]//12th European Microwave Integrated Circuits Conference （Eu MIC）.Nuremberg：IEEE，2017，167-170.

[2] BENTINI A，F(xiàn)ERRARI M，LONGHI P E，et al. A 6～18GHz GaAs multifunctional chip for transmit/receive modules [C]//Proceedings of the 11th European Radar Conference.European Microwave Association：Rome，2014：605-608.

[3] 劉石生，彭龍新.一種高精度寬帶幅相控制多功能MMIC [J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2015，35（6）：518-525.

[4] NYUYEN D P，PHAM B L，PHAM T，et al.A 14～31 GHz 1.25 dB NF enhancement mode GaAs pHEMT low noise amplifier [C]//2017 IEEE MTT-S International Microwave Symposium （IMS）.Honololu：IEEE，2017：1961-1964.

[6]郝夢圓.DC-18GHz超寬帶低噪聲放大器的研究 [D].南京：南京理工大學(xué)，2017.

[7] 劉琳，陳堂勝，戴永勝，等.一種X波段GaAsMMIC五位數(shù)字衰減器 [J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2000，20（4）：452-452.

[8] SIM S，JEON L，KIM J G. A compact X-band bi-directional phased-array T/R chipset in 0.13 μm CMOS technology [J].IEEE Trans. Microw. Theory Techn，2013，61（1）：562-569.

作者簡介：劉瑩（1986.05—），女，漢族，四川夾江人，高級工程師，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：2022-09-04