一種L波段高線性砷化鎵驅動放大器

童偉　王測天　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L波段高線性度驅動放大器（DA）。該雙級放大器由堆疊結構構成，基于自偏置技術與負反饋技術，該放大器在保持低噪聲的同時能夠具有高線性度。實測結果顯示，在0.5-1GHz寬頻帶范圍內，輸入以及輸出反射系數均低于﹣20 dB，帶內的典型噪聲系數為0.6 dB，輸出功率1dB壓縮點大于17 dBm。芯片尺寸為0.8×0.75 mm2。因此，該芯片在兼顧低噪聲的同時具有極佳的線性度特性和高增益，具有廣泛的市場應用前景。

關鍵詞：堆疊;低噪聲;GaAs pHMET;高線性度;寬帶驅動放大器

1 概述

隨著4G、5G無線通信系統的發展，移動通信的基站系統對射頻前端中的寬帶驅動放大器的性能提出了低噪聲、良好輸入輸出駐波匹配以及高線性度等要求。尤其在5G無線通信系統中，700MHz左右的頻段具有傳播損耗低、覆蓋范圍廣、穿透能力強的特點而得到廣泛應用，因此系統迫切需求覆蓋700MHz左右的頻段的低噪聲、寬匹配以及高線性度的驅動功率放大器芯片。為實現較低的噪聲和高線性度，現有商用寬帶驅動放大器芯片往往采用傳統的兩級共源放大器采用分別饋電的方式工作，并且前級晶體管通過電阻降壓獲得合適的漏壓來改善噪聲系數，從而造成芯片功耗增加。

本文設計了一種堆疊結構的驅動放大器芯片結構，利用堆疊（Stacked）結構大幅提高輸出阻抗匹配，拓展帶寬;同時，采用電感串聯負反饋結構優化線性度與輸入匹配的同時保證低噪聲性能;采用自偏置技術減少外圍電路的復雜度。芯片流片后，測試結果顯示該芯片在低功耗情況下，具有優異的寬帶低噪聲性能和高線性度指標。

2 芯片結構

本論文的驅動寬帶放大器電路采用堆疊放大器電路結構，如圖1所示，同時采用單電源供電模式。共源級電路使用源極串聯電感負反饋結構來增加輸入阻抗;在堆疊結構中，共源電路對芯片性能的影響占主導作用，為減小工藝波動對性能的影響，共源級電路偏置采用有源偏置結構;共柵級電路偏置直接采用電阻分壓結構。同時本電路使用了RC負反饋結構，來調節輸入輸出匹配，并擴展帶寬。Stacked結構與傳統共源共柵（Cascode）晶體管的不同之處在于堆疊結構中的柵極匹配電容的容值較小，用于實現堆疊晶體管的最佳源極阻抗匹配，而傳統Cascode晶體管的堆疊柵極補償電容容值極大，從而將柵極實現交流接地。

共源晶體管M1和共柵晶體管M2的柵寬分別為8×100 μm和8×120 μm。電感L1源極串聯負反饋電路能夠調節輸入匹配與增益。電容C1和電阻R1為輸出端到輸入端的負反饋電路，能夠調節輸入與輸出阻抗，增加帶寬，改善穩定性能;電容C2和電阻R2為輸出端到共柵管M2柵極的負反饋電路，能夠改善電路穩定性、調節增益并改善線性度性能;電容C3和電阻R3為共柵管M2柵極到地通路，改善電路穩定性。為實現單電源供電，本方案采用自偏置技術，包括有源偏置和電阻分壓結構。本電路需要具有一定的抗靜電沖擊能力，在電路的所有對外端口均加有ESD二極管進行靜電防護。

3 實驗結果

采用0.5 μm的GaAs pHEMT工藝流片加工后，該芯片厚度為100 μm，芯片尺寸為0.8×0.75 mm2。如圖2所示為其芯片照片。利用定制的芯片測試夾具進行測試后，施加工作電壓5 V，測試得靜態電流83mA。圖3為測試的增益、駐波曲線。從測試結果中可以看出，增益測試結果的高頻部分漲了1dB左右，具有一定正斜率，在0.5-1 GHz典型增益約為20dB。輸入與輸出反射系數較好，均小于-20 dB。圖4噪聲系數和線性度測試結果，在工作頻段內噪聲系數約為0.6dB，輸出P-1dB大于17 dBm，OIP3大于39 dBm。

4 結論

本論文采用0.5 μm GaAs pHEMT工藝研制了一款0.5-1GHz高線性度驅動放大器芯片，芯片尺寸為0.8×0.75 mm2。在0.5-1GHz頻帶內測試結果顯示：驅動放大器芯片增益為20 dB，噪聲系數典型值為0.6 dB，輸入、輸出反射系數小于-20 dB，P-1dB大于17dBm，OIP3性能大于39dBm。在5V工作電壓下，芯片的靜態電流為83mA。該芯片可以滿足相關無線通信系統前端的需求。

參考文獻

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