超寬帶低功耗低噪聲放大器芯片

童 偉 王亞文 王測天 呂繼平 鄔海峰

成都嘉納海威科技有限責任公司 四川 成都 610073

1 引言

隨著無線通信、軟件無線電等技術的不斷發展，電子通信設備對射頻前端的低噪聲放大器的帶寬和低功耗的需求日益提高。為了實現寬帶、低功耗指標，采用達林頓組合放大管實現的低噪聲放大器成為了一種首選方案，在射頻微波通信系統中有廣泛的應用前景。現有的研究成果中，達林頓低噪聲放大器往往采用HBT器件實現寬帶放大功能，且該HBT達林頓放大器具有優良的線性度特性[1]，但是HBT工藝性能隨著噪聲增加而變差，特別是噪聲性能隨頻率惡化較嚴重[2]，[3]。相比而言，GaAs pHEMT晶體管的特征頻率(fT)較HBT工藝更高，更適用于較高的頻段，同時pHEMT工藝具有比HBT更好的噪聲特性。由于pHEMT工藝具有增強型與耗盡型兩種，耗盡型工藝的柵極需要負壓供電，不適用于達林頓結構，因此增強型pHEMT達林頓管更適合實現寬帶、低噪聲的指標。

本文研究并設計了一種增強型GaAs pHEMT工藝達林頓低噪聲放大器芯片，采用基于共源、共柵結構的新型達林頓放大器結構，并結合有源偏置技術與負反饋技術，實現了超寬帶、低噪聲、低功耗的特性。該芯片能夠實現在0.1-7GHz頻段內實現平坦增益，同時兼顧功耗與線性度。

2 電路設計

圖1 達林頓低噪聲放大器電路原理圖

如圖1所示，該低噪聲寬帶放大器的放大單元采用達林頓放大管結構。其中，達林頓放大管的第一級對射頻性能影響較大，因此本方案將輸入管的的偏置電路設計為有源偏置電路，可以減小增強型pHEMT工藝中溝道開啟電壓Vto在波動對射頻性能的影響；第二級達林頓管采用由T2與T3組成的Cascode放大結構，可以顯著提升放大器的增益帶寬積，并且Cascode結構中的共柵管采用電阻分壓結構，可以減小芯片面積。

達林頓結構第一級晶體管T1、T2與T3的柵寬分別為8×75um、8×100 um和8×125um。電感L1與電容C4作為輸入匹配網絡優化輸入匹配，同時對噪聲惡化程度較小。晶體管T1的偏置電壓由電阻Rb與晶體管T4組成的有源偏置網絡組成，該結構可以減小溝道開啟電壓變化對性能的影響，有效提高批次一致性。晶體管T3的偏置電壓由電阻分壓網絡組成，該晶體管的柵極也增加了由電阻R3與C3組成的穩定增強電路，以提高電路的穩定性。為進一步提高達林頓放大器的寬帶阻抗匹配特性，本文設計電路增加了RC反饋電路，分別由電容C1與電阻R1將輸出信號反饋到晶體管T1的柵極，以及由電容C2與電阻R2將輸出信號反饋到晶體管T3的輸出級，這兩個RC負反饋電路進一步提高了電路的帶寬。

3 實驗結果

圖2 達林頓低噪聲放大器照片

圖3 達林頓低噪聲放大器實測S參數

該電路結構采用0.5um的增強型GaAs pHEMT工藝流片加工后，芯片照片如圖2所示。其芯片尺寸為0.9×0.6mm2，芯片厚度為100 um。將裸芯片裝在測試夾具上進行微波電性能測試，測試工作電壓3.3V，典型電流54m A。圖3至圖5為裸芯片在測試夾具上的測試結果。從測試結果中可以看出，常溫條件下，在0.1-7GHz工作頻帶內，小信號增益大于20dB，噪聲小于3dB，增益平坦度小于±1dB，輸入輸出回波損耗典型值為-15dB，輸出1dB壓縮點大于14dBm，輸出三階截點大于26dBm。

圖4 達林頓低噪聲放大器實測噪聲系數

圖5 達林頓低噪聲放大器實測P1dB和OIP3

4 結論

本論文采用0.5um GaAs pHEMT工藝研制了一款0.1-7GHz寬帶低噪聲放大器芯片，芯片尺寸為0.9×0.6 mm2。該芯片在3.3V工作電壓下，工作電流為54m A，在0.1-7GHz工作頻帶內，小信號增益大于20dB，噪聲小于3dB，增益平坦度小于±1dB，輸入輸出回波損耗典型值為-15dB，輸出1dB壓縮點大于14dBm，輸出三階截點大于26dBm。低供電電壓與功耗的應用場景下，該芯片實現了較優良的線性度指標，因此在4G、5G通信系統中有廣泛的應用前景。