基于GaAs工藝2-4GHz寬帶低功耗低噪聲放大器

呂繼平　童偉　王測(cè)天　王亞文　鄔海峰　林倩

摘要：本文介紹了一種基于0.5 μm GaAs pHEMT工藝的2-4 GHz寬帶低噪聲單片放大器（LNA）。該雙級(jí)放大器由Cascode結(jié)構(gòu)構(gòu)成。基于自偏置技術(shù)與負(fù)反饋技術(shù)，該放大器能夠?qū)崿F(xiàn)單電源供電，并具有寬帶工作特性。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，在2-4GHz寬頻帶范圍內(nèi)，帶內(nèi)的典型噪聲系數(shù)為0.7 dB，輸出功率1dB壓縮點(diǎn)大于14 dBm，OIP3大于30dBm，且直流功耗僅為250 mW。芯片尺寸為0.65×0.85 mm2。因此，該芯片在兼顧低功耗的同時(shí)具有極佳的寬帶低噪聲性能和高線性度特性，在5G無(wú)線通信系統(tǒng)中具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：低功耗 ?電流復(fù)用 ?GaAs pHMET ?寬帶低噪聲放大器

1 引言

現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展導(dǎo)致半導(dǎo)體射頻器件的快速變革和演進(jìn)。隨著5G通信時(shí)代的來(lái)臨，5G通信對(duì)射頻前端中的低噪聲放大器的性能提出了寬帶、低噪聲、低功耗等要求。由于低噪放位于接收系統(tǒng)的前端，其噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲影響最大，其增益將決定對(duì)后級(jí)電路的噪聲抑制程度，其線性度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生重要的影響。現(xiàn)有國(guó)外寬帶低噪聲放大器芯片可以在較寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)較低的噪聲和高線性度，但是國(guó)內(nèi)卻鮮有相關(guān)產(chǎn)品的報(bào)道，并且這些電路主要是共源-共源結(jié)構(gòu)或者共源-共柵結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的共源-共源放大器通過(guò)兩級(jí)電路電源分別饋電，前級(jí)晶體管通過(guò)電阻降壓獲得合適的漏壓，造成功耗增加;而共源-共柵低噪聲寬帶放大器雖然利用共柵結(jié)構(gòu)大幅改善了輸出阻抗匹配，拓寬了帶寬，但是對(duì)增益貢獻(xiàn)很小。

為了解決上述難題，本文設(shè)計(jì)了一種基于自偏置技術(shù)和電流復(fù)用方法的共源-共源結(jié)構(gòu)的低噪放芯片結(jié)構(gòu)，從而提高低噪聲放大器的性能指標(biāo)間的良好權(quán)衡，實(shí)測(cè)結(jié)果表明該芯片在兼顧低功耗的同時(shí)具有極佳的寬帶低噪聲性能和高線性度特性。

2 電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，本論文的低噪聲寬帶放大器電路采用Cascode放大器電路結(jié)構(gòu)。本放大器采用自偏置技術(shù)，能夠采用單電源供電，簡(jiǎn)化外圍應(yīng)用電路。共源級(jí)電路使用源極串聯(lián)電感負(fù)反饋結(jié)構(gòu)來(lái)增加輸入阻抗;在Cascode結(jié)構(gòu)中，共源電路對(duì)芯片性能的影響占主導(dǎo)作用，為減小工藝波動(dòng)對(duì)性能的影響，共源級(jí)電路偏置采用有源偏置結(jié)構(gòu);共柵級(jí)電路偏置直接采用電阻分壓結(jié)構(gòu)。同時(shí)本電路的共源極共柵極電路均使用了RC并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，來(lái)調(diào)節(jié)輸入輸出匹配，并擴(kuò)展帶寬。共源晶體管M1和共柵晶體管M2的柵寬分別為8×75 μm和8×75 μm。電感L1源極串聯(lián)負(fù)反饋電路能夠調(diào)節(jié)輸入匹配與增益。電容C1和電阻R1為輸出端到輸入端的負(fù)反饋電路，能夠調(diào)節(jié)輸入與輸出阻抗，增加帶寬，改善穩(wěn)定性能;電容C2和電阻R2為輸出端到共柵管M2柵極的負(fù)反饋電路，能夠改善電路穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)增益并改善線性度性能。本設(shè)計(jì)采用自偏置技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單電源供電，分別采用了有源偏置和電阻分壓結(jié)構(gòu)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該電路結(jié)構(gòu)采用0.5μm的GaAs pHEMT工藝流片加工后，獲得的芯片厚度為100 μm，最終完成的芯片尺寸為0.65×0.85 mm2，芯片照片如圖2所示。將芯片裝入測(cè)試夾具進(jìn)行微波電性能測(cè)試，工作電壓5V，電流50mA。

圖3為該芯片的增益、回波損耗曲線。從測(cè)試結(jié)果中可以看出，增益在工作頻段內(nèi)大于14 dB，具有一定斜率。輸入回?fù)軗p耗在工作頻段內(nèi)稍差，輸出回波損耗小于-10 dB。輸入和輸出回波損耗測(cè)試結(jié)果與測(cè)試夾具性能較差有關(guān)

圖4為噪聲系數(shù)和線性度測(cè)試結(jié)果曲線圖。噪聲系數(shù)在在工作頻段內(nèi)小于1 dB。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，夾具也會(huì)帶入一定的誤差。輸出1dB壓縮點(diǎn)在工作頻段內(nèi)大于14 dBm。OIP3在工作頻段內(nèi)大于30 dBm。

4 結(jié)論

本論文采用0.5 μm GaAs pHEMT工藝研制了一款2-4 GHz低噪聲寬帶放大器芯片，芯片尺寸為0.65×0.855 mm2。在2-4 GHz頻帶內(nèi)測(cè)試結(jié)果顯示：放大器帶內(nèi)增益大于14dB，噪聲系數(shù)小于1 dB，P-1大于14 dBm，OIP3大于30 dBm。芯片在5V工作電壓下，電流為50 mA，可以滿足相關(guān)5G無(wú)線通信系統(tǒng)射頻前端的應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)

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