0.1 GHz～18 GHz單電源寬帶低噪聲放大器

楊楠，楊琦，劉鵬

（中國電子科技集團第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

伴隨著當今社會信息化的快速發展，無線通信技術已經廣泛應用在各個領域，如通信網絡、定位系統、無線局域網、藍牙等等，這些已經成為生活中不可或缺的部分。尤其是近年來，光纖通信系統、高速率數據傳輸系統和寬帶電磁頻譜監測等系統對寬帶接收機芯片的需求越來越迫切。而寬帶低噪聲放大器作為接收機系統的關鍵器件之一，其工作頻段范圍制約著整個接收機系統的性能，因此寬帶低噪聲放大器有很大的研究空間。

目前頻率范圍覆蓋0.1 GHz～18 GHz寬帶低噪聲放大器芯片，一般需要雙電源供電，即提供柵電壓和漏電壓。且由于工藝參數的波動，同一批次的芯片在固定柵壓條件下，放大器增益、功率等可能會有較大的波動，需要通過微調柵壓使放大器實現最佳性能。因此在實際工程使用中，雙電源放大器需要提供額外的柵偏置電路和上電時序電路，且需要調整柵壓值實現放大器的良好性能，這在一定程度上增加了裝配工序和調試難度。

本文設計了一款工作在0.1 GHz～18 GHz單電源寬帶低噪聲放大器芯片，電路采用GaAs增強型pHEMT工藝，將分布式放大器和有源偏置電路一片式集成設計，實現寬帶放大器的單電源供電，提高芯片幅度一致性，減少寬帶放大器在工程應用的裝配工序和調試工作，提高產品可靠性。

1 分布式放大器設計

分布式放大器作為一種超寬帶放大器主要實現方式之一，具有增益平坦、駐波好、體積小等優點，其結構示意圖如圖1所示。當射頻信號通過輸入人工傳輸線（柵線）為一組pHMET晶體管（FET1至FET）提供輸入信號，此時各級FET管都處于導通狀態；輸入信號通過FET管跨導轉移到輸出人工傳輸線（漏線）上，射頻信號被放大。若電路設計時保證射頻信號在柵線和漏線的每段時延均相同，那么經過晶體管放大的射頻信號在漏線上可實現正向信號的同相疊加，反向信號則被終端負載Z吸收。當傳輸線負載與傳輸線特性阻抗相同時，射頻信號就在無頻率限制的有損均勻傳輸線中進行傳輸。因此電路設計中可以通過合理的優化設計保證柵線和漏線的相速度相同，則理論上分布式放大器就是無頻率限制的寬帶放大器。

圖1 分布式放大器結構示意圖

傳輸線中Z、Z分別為柵線和漏線的特性阻抗，L、L分別是柵線和漏線的長度。傳輸線的特性阻抗值及長度的選取與晶體管參數有關。僅考慮器件寄生參數C和C的影響，電路中柵線和漏線的特性阻抗分別為：

其中L、C分別為柵線的分布電感和電容，L、C分別為漏線的分布電感和電容，理想條件下，將射頻信號在分布式放大器中輸入和輸出傳輸線看做是無損耗傳輸，且相速度一致，則放大器的增益表達式為：

其中G為pHEMT管的跨導值，為分布式放大器中pHEMT管并聯的級數。

但實際傳輸線都是有損耗傳輸的，分布式放大器在單元電路級數增加同時傳輸線的損耗也會隨之增加，最終隨著級數的增多分布式放大器整體增益下降。對式（2）求導，得最優設計級數的表達式為：

本文設計的分布式放大器采用級聯分布式拓撲結構，其中增益單元電路采用共源共柵結構。共源共柵結構電路減小了第一級FET管的米勒效應，以此擴展頻率帶寬范圍，在增益單元級數相同的條件下，增益值比共源結構的分布式放大器電路可提高2～4 dB，同時提高電路的反向隔離度，減小輸出傳輸線的損耗。

2 有源偏置電路設計

偏置電路分為無源偏置電路和有源偏置電路兩種。無源偏置電路，電源電壓Vdd通過兩個電阻進行分壓，為減小電路功耗，一般兩電阻值之和需達到kΩ量級或更高。此偏置電路結構簡單，但溫度特性差，分壓電阻對低噪聲放大器的輸入阻抗有一定的影響，因此本文設計不采用此種無源結構。有源偏置電路常見于溫補電路設計中，經常采用CMOS工藝來實現。本文采用的有源偏置電路與其不同，通過電阻R2將pHMET管M0的柵極、漏極短接，此時晶體管等效為一個晶體二極管，如圖2所示。電源電壓Vdd通過電阻R1、晶體管M0柵漏短接與電阻R2分壓，電阻R3為隔離電阻，該電路結構可以隨溫度及工藝參數變化為分布式放大器提供相對穩定的靜態偏置Vg，可減小放大管因溫度、工藝參數波動引起的性能變化。且有源偏置電路有更好的扼流特性，將此偏置電路與分布式放大器集成，工作帶寬范圍內的絕大部分射頻信號被反射避免信號泄露。

圖2 有源偏置電路

3 單電源分布式放大器設計

本文基于GaAs增強型pHMET工藝，將分布式放大器和有源偏置電路集成化設計，有源偏置引入的電阻對輸入阻抗的變化可以通過輸入匹配電路消除。放大器原理圖如圖3所示，根據工藝參數推薦的晶體管工作偏置，共源共柵增益單元中共源管柵偏置電壓Vg典型值為0.45 V，有源偏置電路通過電阻晶體管等分壓，為其提供0.45 V的電壓。有源偏置電路會引入額外的功耗，因此仿真中要注意晶體管M0尺寸及R1、R2電阻值的選取，額外引入的電流最好控制在mA量級。綜合功耗及偏置電路扼流性能，最終選取晶體管M0尺寸2×30 um，R1電阻值750 Ω，R2電阻值900 Ω，R3電阻值4 kΩ，有源偏置電路局部功耗2 mA。

圖3 0.1 GHz～18 GHz單電源寬帶低噪聲放大器原理圖

分布式放大器的單元電路級數與電路頻率、衰減常數及晶體管參數等相關，綜合考慮工作帶寬、增益、輸出P1dB、功耗及芯片尺寸等指標，最終確定單元電路級數為8級，放大管尺寸均為2×40 μm，增益單元里共源放大管與共柵放大管靜態電流相同，工作偏置電壓可通過電阻R1、R2比例來調整，以此調整放大器的增益、功率等指標。芯片進行集成化設計時，有源偏置電路和分布式放大器進行一體化設計，通過輸入匹配網絡優化輸入駐波及噪聲系數的高低，并且消除有源偏置電路阻抗對輸入阻抗的影響；通過調整輸出匹配網絡和柵線、漏線的線寬和線長等所有變量，優化增益、功率、噪聲系數等指標以滿足技術指標要求，同時要保證放大器的絕對穩定性。

4 仿真與測試結果分析

基于上述設計思路，本文采用0.15 μm GaAs增強型pHEMT工藝 設計并流片一款工作于0.1 GHz～18 GHz單電源寬帶低噪聲放大器芯片，該電路可廣泛應用于寬帶收發系統當中。電路設計采用電磁仿真軟件，通過小信號、大信號仿真控件、穩定性控件及優化控件等對電路原理圖和版圖進行優化仿真。增益單元電路共八級，每級增益單元的元器件尺寸完全相同，保證信號經過各級放大后實現信號的同向疊加；折中設計電路的增益平坦度、噪聲系數、輸出P1dB及輸入、輸出回波損耗，并保證電路絕對穩定。仿真曲線如圖4中實線所示，增益大于18 dB，增益平坦度±0.5 dB以內，輸出P1dB 功率 12 dBm@10 GHz、10 dBm@18 GHz，噪聲系數NF典型值為2.5 dB，帶寬范圍內整體噪聲小于4.0 dB，輸入、輸出駐波較小，直流功耗5 V/60 mA。

經過工藝加工流片及在片測試，該寬帶低噪聲放大器在0.1 GHz～18 GHz頻率范圍內，增益大于18 dB， 0.1 GHz～ 1 GHz內增益平坦度略差，此現象可通過裝配偏置電路（漏電壓端外加μF量級電容倒地）來改善；輸出P1dB 功率為12 dBm@10 GHz、10 dBm@18 GHz，與仿真基本趨于一致；噪聲系數NF典型值為2.5 dB，但在0.1 GHz～ 0.4 GHz頻率范圍內，噪聲系數實測高于仿真值；輸入、輸出駐波實測與仿真值趨于一致；直流功耗典型值為5 V/60 mA。同一晶圓上放大器增益幅度波動≤±0.5 dB，幅度一致性優于雙電源分布式放大器。放大器在高低溫條件下無自激，電路穩定。芯片實物照片如圖4所示。

圖4 芯片實物照片

5 結 論

本文講述一種集成有源偏置電路的單電源寬帶低噪聲放大器芯片設計方法，設計并流片一款頻率覆蓋0.1 GHz～18 GHz的單電源寬帶低噪聲放大器，芯片尺寸2.4 mm×1.0 mm×0.07 mm，芯片集成度高。經測試，放大器在工作頻段內，小信號增益大于18 dB，輸出P1dB典型值12 dBm，噪聲系數典型值2.5 dB，直流功耗為5 V/60 mA，可滿足工程使用需求。