Ka波段BiCMOS低功耗驅動放大器設計

王紹權 廖余立 王鑫

摘 ?要：該文介紹了一款Ka波段（33.0 GHz～37.0 GHz）低功耗驅動放大器。此放大器使用SiGe BiCMOS工藝設計，其采用了Cascade級聯結構，提高了放大器的電源電壓和工作頻率帶寬，通過實現共射極與共基極的級間匹配，可以有效地提高放大器的增益。測試結果表明：在33.0 GHz～37.0 GHz頻率范圍內，放大器增益大于15.0 dB，OP-1dB為-6.0 dBm。此放大器采用5.0 V供電，工作電流為8 mA，面積為0.7 mm2。

關鍵詞：Ka波段;放大器;SiGe BiCMOS;有源相控陣雷達

中圖分類號：TN722.3 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）12-0047-04

Abstract：In this paper，a Ka-band（33.0 GHz～37.0 GHz） low power driver amplifier is presented. This amplifier tapes out with SiGe BiCMOS process. To improve its power supply and the bandwidth，cascade structure is used. For effectively obtain high power gain of amplifier，the inter-stage matching network between common emitter circuits and common base circuits is used. The measurements indicate that the power gain is larger than 15 dB，the OP-1dB is -6.0 dBm from 33.0 GHz to 37.0 GHz. The power supply is 5.0 V and the static current is 8 mA and the area is 0.7 mm2.

Keywords：Ka-band;amplifier;SiGe BiCMOS;active phased array radar

0 ?引 ?言

現代有源相控陣由成千上萬個天線和收發多功能（T/R）模塊構成。它們通過雷達電掃描技術控制陣列天線的每個陣元或子陣的相位，改變波束方向，從而實現波束掃描[1]。目前Ka波段，商用的T/R多功能芯片大多采用GaAs或者InP等性能優異的工藝設計。然而這種Ⅲ-Ⅴ族化合物工藝成本昂貴、芯片面積大，不易將基帶功能集成在其中，難以滿足T/R多功能小型化的需求。

20世紀80年代以來，SiGe BiCMOS得到了迅猛發展，其SiGe HBT的截止頻率（fT）已達到120.0 GHz以上，性能接近或與GaAs器件及其電路相當。這使得SiGe BiCMOS工藝成為了實現低成本小型化T/R多功能芯片替代工藝的最佳選擇。

SiGe BiCMOS工藝提供了淺槽（STI）和深槽（DTI）兩種隔離方式，能有效降低數字模塊與射頻模塊之間的噪聲干擾。由于襯底損耗、趨膚效應、鄰道效應加劇，導致硅基無源器件損耗比較大，但是成本低廉、集成度高等優勢依然使得SiGe BiCMOS工藝在微波毫米波電路中應用廣泛。

基于上述考慮，本文采用SiGe BiCMOS工藝設計了一款工作在Ka波段的驅動放大器，放大器采用Cascade結構，使用CPWG結構參與電路匹配，并采用溫度補償偏置電路，放大器測試增益大于15.0 dB，OP-1dB為-6.0 dBm，工作電流僅為8 mA，芯片面積僅為0.7 mm2。

1 ?SiGe BiCMOS工藝介紹

本設計采用SiGe BiCMOS工藝，此工藝中NPN晶體管的類型有高擊穿型和高性能型;高擊穿NPN晶體管的BVCEO為8.0 V，截止頻率為40.0 GHz;高性能NPN晶體管的BVCEO為5.5 V，截止頻率為120.0 GHz;本文設計的放大管選擇選擇高性能NPN晶體管，其標稱截止頻率fT大于120.0 GHz，滿足設計頻率要求，和電壓要求。此工藝提供MIM電容和MOM電容選擇，MIM電容為金屬-介質-金屬電容，適合高頻應用;MOM電容有金屬-氧化物-金屬叉指電容，其單位容值高，適合低頻模擬應用。本設計選用單位容值為1 fF/μm2的MIM電容。此工藝提供多種類型電阻，Poly電阻、擴散電阻和膜電阻。

設計中，射頻通路電路選擇膜電阻，提高精度，模擬偏置部分選擇Poly電阻，增加阻值。此工藝提供5層可選金屬，包括，金屬1、金屬2、金屬3、金屬4和金屬5（如圖1所示）。金屬5為厚金屬層，其厚度為3.4 μm，射頻走線與電感選擇金屬5層，以增大電感的Q值，提高放大器功率輸出能力。模擬偏置電路選擇金屬1和金屬2層，金屬3層用作地隔離層，將射頻電路與模擬電路隔離開，減小射頻電路與模擬電路間的耦合。

2 ?驅動放大器設計

如圖2所示給出了傳統SiGe HBT Cascade結構框圖。其中晶體管Q1和Q2分別構成了共射極放大器和共基極放大器。Cascade結構中Q2晶體管級的增益約為1，能有效地降低晶體管Q1的密勒電容，增大了由密勒電容產生的極點頻率，從而極大地提高放大器的帶寬，此外還能提高輸入端口與輸出端口之間的隔離和產生更高的增益，同時提高放大器的工作電源電壓。然而如圖3所示，Cascade放大器在幾個GHz范圍內能提供大概12.0 dB～16.0 dB的增益，如果直接將這種結構應用于Ka頻段，由于晶體管Q1和晶體管Q2單管在Ka頻段提供的最高增益嚴重降低，兩者間存在巨大的反射以及較大的無源器件損耗，會嚴重惡化放大器的增益。如圖3所示，本文在傳統Cascade放大器的基礎上加入了CPWG傳輸線和MIM電容作為兩級放大器的級間匹配，有效提高了放大器的增益。

本文采用CPWG傳輸線結構，而未采用應用范圍較廣的微帶線結構和CPW結構，主要考慮到CPWG傳輸線結構具有更好的信號屏蔽能力，能極大地降低襯底損耗，同時能輕易達到各層金屬的工藝密度要求，提高芯片成品率。

如圖4所示，給出了Ka驅動放大器的詳細原理圖。Q1為主放大管，Q2為共基極放大管，TL1和TL2為CPWG輸入匹配電路，C2為隔直匹配電路，TL3為CPWG級間匹配電路，C3為級間匹配電路，TL4和TL5為CPWG輸出匹配電路，C4為輸出隔直電容。電阻R1和MIM電容C1能提高放大器低頻段穩定性。大尺寸電容C2能提高放大器的高頻段穩定性。

Cbp為電源線上的旁路電容，Q3、Q5、Q6為偏置電路晶體管。

在圖4原理圖中，電源VCC與A點、A點，B點、B點、B點，C點、C點具有相同的直流電壓，同時都是射頻地。如圖5所示，放大器的版圖設計中Q1晶體管的偏置電路供電端、Q2晶體管的偏置電路供電端以及放大器的電源電壓VCC的版圖位置并不相同，為降低三者間的共模干擾，在每個電路的版圖供電處各加入旁路電容，從而保證供電端的交流地較為理想。

3 ?偏置電路設計

本設計主放大級的放大器偏置采用溫度補償偏置電路，溫度補償偏置電路由溫度相關電流產生電路和電流鏡偏置電路組成[2]。溫度相關電流產生電路如圖6所示。

圖6中，PMOS1和PMOS2構成帶隙基準電流鏡，QB1和QB2構成帶隙基準核心電路，QB2和QB1的面積比例為n，PMOS3、PMOS4、PMOS5和PMOS6構成偏置電流鏡，PMOS3和PMOS4構成比例關系?；鶞孰娏鱅REF為溫度相關變量。NPN三極管的I-V特性為：

電流鏡偏置電路由圖7給出，它由電流鏡和扼流電路組成。PMOS3、PMOS4、PMOS5和PMOS6構成偏置電流鏡電路，它能將基準電流IREF放大N倍。

RB為放大器偏置扼流電阻，CB為偏置端濾波電容，它可以過濾掉偏置電路的耦合信號。三極管Q4與放大管Q1同為電流鏡結構。它將Q4集電極電流放大M倍為放大器提供直流偏置。

本設計共基極放大器偏置如圖8所示，Q5和Q6構成偏置管，產生偏置電壓CB2為偏置端濾波電容，為射頻信號提供良好的交流地。

4 ?測試結果

如圖9所示，給出了Ka驅動放大器芯片實物照片，芯片面積僅為0.7 mm2。

如圖10所示，驅動放大器的在片測試方案采用了矢量網絡分析儀PNA-X N5244A，直流電源電壓為5.0 V，其工作電流為8 mA。

如圖11所示，給出了Ka驅動放大器的S11和S22的實測曲線，可以看出S11的仿真曲線與測試曲線在34.0 GHz以上幾乎重合，而S22的測試結果優于仿真結果。如圖12所示，給出Ka驅動放大器的增益曲線和隔離度曲線，可以看出在35.0 GHz以下，放大器的隔離度小于-40.0 dB。而放大器的增益測試結構比仿真結果小了大約1.0 dB?？梢钥闯鰧崪y數據的S21的平坦度控制在±0.4 dB以內。

此外，經測試，此放大器在33.0 GHz～37.0 GHz內的OP-1dB約為-6.0 dBm。

表1給出了本文的驅動放大器與其他基于SiGe工藝設計的相關放大器的性能比較?？梢钥闯鱿啾扔谕愒O計，此驅動放大器有較高的綜合性能。

5 ?結 ?論

本文設計了一款用于Ka有源相控陣T/R模塊的驅動放大器，對以后Ka放大器的設計有著指導性作用。本文放大器是基于SiGe BiCMOS工藝設計，放大器采用Cascade結構，使用CPWG結構參與電路匹配，并采用溫度補償偏置電路。測試結果表明：在33.0 GHz～37.0 GHz頻率范圍內，放大器增益大于15.0 dB，OP-1dB為-6.0 dBm。此放大器采用5.0 V供電，工作電流為8 mA，芯片面積小于0.7 mm2。下一步工作主要是針對提高仿真與測試的擬合度和放大器的駐波及OP-1dB等性能做進一步的優化。

參考文獻：

[1] 石星.毫米波相控陣雷達及其應用發展 [J].電訊技術，2008，48（1）：6-12.

[2] 劉德志，王紹權，王鑫，等.用于相控陣雷達的X波段SiGe低噪聲放大器 [J].半導體技術，2019，44（2）：104-109.

[3] GATHMAN T D，BUCKWALTER J F. A Ka-band high-pass distributed amplifier in 120nm SiGe BiCMOS [C]//2010 IEEE MTT-S International Microwave Symposium.Anaheim：IEEE，2010：952-955.

[4] RIEMER P J，BUHROW B R，COKER J D，et al. Ka-band （35 GHz）3-stage SiGe HBT low noise amplifier [C]//IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest，2005.Long Beach：IEEE，2005：1037-1040.

[5] MA Q，LEENAERTS D，MAHMOUDI R. A 30GHz 2dB NF low noise amplifier for Ka-band applications [C]//2012 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.Montreal：IEEE，2012：25-28.

[6] LI Y H，GOH W L，XIONG Y Z. A Cascaded Distributed Amplifier Operating Up to 110 GHz Using SiGe HBTs [J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2014，24（10）：713-715.

[7] RIEMER P J，HUMBLE J S，PRAIRIE J F，et al. Ka-Band SiGe HBT Power Amplifier for Single-Chip T/R Module Applications [C]//2007 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium.Honolulu：IEEE，2007：1071-1074.

[8] BYUNG W M，REBEIZ G M. Ka-Band SiGe HBT Low Noise Amplifier Design for Simultaneous Noise and Input Power Matching [J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2007，17（12）：891-893.

作者簡介：王紹權（1987—），男，漢族，河北石家莊人，碩士，工程師，研究方向：射頻集成電路。