超寬帶低功耗低噪聲放大器芯片

劉瑩 王測天 鄔海峰 廖學介 王為

摘? 要：介紹了一款基于GaAs 0.15 μm pHEMT工藝的2～18 GHz超寬帶低功耗低噪聲放大器芯片的設計，給出了在片測試結果。該芯片采用結合有源偏置和并聯負反饋技術的改進型共源共柵放大結構，該結構可以使放大器在超寬帶的工作頻帶范圍內實現低噪聲、低功耗和較高增益，同時減小放大器性能對工藝波動的敏感程度。在2～18 GHz的超寬帶頻率范圍內，該芯片實測噪聲系數≤1.4 dB，增益≥14 dB，且具有3 dB的正斜率，輸出P-1功率≥12 dBm，輸入輸出駐波≤1.6，整個芯片功耗僅為0.15 W，芯片尺寸僅為：1.4 mm×1.1 mm×0.1 mm。

關鍵詞：超寬帶；低功耗；低噪聲放大器芯片；有源偏置

中圖分類號：TN72 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）01-0051-04

Ultra Wideband Low Power Consumption Low Noise Amplifier Chip

LIU Ying， WANG Cetian， WU Haifeng， LIAO Xuejie， WANG Wei

（Chengdu Ganide Technology Co.， Ltd.， Chengdu? 610220， China）

Abstract： In this paper， the design of 2～18 GHz ultra wideband low noise amplifier chip based on GaAs 0.15 μm pHEMT process is introduced， and on wafer test results are presented. The chip uses and combines with the active bias and parallel negative feedback cascade amplifier structure， and the structure can make the amplifier achieve low noise， low power consumption and higher gain in the range of working frequency band of ultra wideband. At the same time， it reduces the sensitivity of amplifier performance to process fluctuations. In the 2～18 GHz ultra wideband frequency range， measured noise coefficient of the chip is less than and equal to 1.4 dB， a gain is more than and equal to 14 dB， and it has 3 dB Positive Slope， the output of P-1 power is more than 12 dBm， the input and output of VSWR are less than and equal to 1.6， and the power consumption of the chip is only 0.15 W. The chip size is only 1.4 mm×1.1 mm ×0.1mm.

Keywords： ultra wideband; low power consumption; low noise amplifier chip; active bias

0? 引? 言

隨著無線通信技術和電子對抗技術的快速發展，寬帶芯片類核心元器件的需求越來越多，性能要求也越來越高，特別是在航天、軍事、物聯網、無線5G通信等領域，都向著更廣的覆蓋范圍、更高的頻段、更高的傳輸率、更廣的覆蓋范圍、更強的兼容性的目標發展。因此寬帶芯片的應用也越來越廣泛。提高帶寬可以使設備的兼容性更高，大大提高了電子設備的性能，滿足不同應用場景的需求，降低成本、功耗和體積。

低噪聲放大器應用在接收機的最前端，其性能直接影響著接收機的整體性能。肥皂水放大器的噪聲系數和增益決定了接收機的信噪比，極大程度的影響著整個系統的噪聲性能，若低噪聲放大器自身的噪聲系數不好，則會使噪聲信號形成雜波，造成信號失身，降低系統的靈敏度。因此低噪聲放大器性能的好壞直接影響接收機的靈敏度，而如何在寬帶工作范圍內涉及出性能優良的低噪聲放大器一直是研究的熱點和難點。

對于芯片工藝的選擇，GaAs工藝是Ⅲ-Ⅴ族半導體工藝中常用的一種工藝，也是當前最重要，技術成熟度最高的化合物半導體材料之一，對比GaAs化合物和硅基工藝的優缺點，GaAs有較高的電子遷移率，具有高晶體管跨導，其增益和噪聲系數性能更優；而且相比硅基工藝的襯底絕緣性能更好，電感電容Q值更高。而對于GaAs工藝中晶體管的類型的選擇，HEMT高電子遷移率晶體管相較于HBT雙極性晶體管，在噪聲系數方面具有明顯優勢。綜合考慮，為了實現2～18 GHz超寬帶工作頻帶內的低噪聲和中功率輸出特性，該芯片選擇基于GaAs 0.15 μm PHEMT工藝來設計。

本文介紹的基于GaAs 0.15 μm pHEMT工藝2～18 GHz低噪聲放大芯片不僅在超寬帶頻帶內具有低噪聲和低功耗的優點，而且還具有正斜率的高增益特性，同時其對工藝波動的敏感度較低，具有很好的實際應用性能。

1? 低噪聲放大芯片的設計

1.1? 電路結構的選擇

低噪聲放大器基本性能指標包括小信號增益、噪聲系數、回波損耗、穩定性、輸出功率1 dB壓縮點、線性度、功耗等。低噪聲放大器的增益特性代表的是其對小信號的放大能力，可以通過二端口網絡理論進行公式推導。低噪聲放大器的噪聲系數是其重要指標，它指的是輸入信噪比和輸出信噪比的比值，直接影響了整個系統的噪聲系數好壞。對于寬帶放大器的設計，難點在于晶體管呈每倍頻程增益下降的規律，端口駐波、功率也會隨之變差，噪聲系數也會惡化，此外穩定性是放大器能夠正常工作的前提，設計中必須保證放大電路在全頻帶范圍內保持絕對穩定狀態，這也是寬帶放大器設計的一個難點。

國內射頻寬帶低噪聲放大器的設計研究在近幾年發展快速，取得了豐富的研究成果，在技術和結構上取得了突破性的進展。目前，業界廣泛使用且較為成熟的寬帶放大去電路結構主要包括：平衡式寬帶結構、電流復用寬帶結構、共源共柵寬帶結構、負反饋結構、行波寬帶結構等，而每種結構各有其優缺點，表1對常用寬帶放大電路結構的設計性能進行比較。實際電路設計中，往往不是采用單一的寬帶技術，而是結合多種寬帶技術，發揮每種技術的優勢，同時利用其他技術改進其不足，不斷提高電路的整體性能。

芯片電路設計中對電路結構的選擇十分重要，需要設計者根據詳細的設計指標要求，對比每種結構的優缺點，選擇適合的電路拓撲。由表1中各種寬帶放大器電路結構的性能對比可見，本設計需要在2～18 GHz超寬帶頻帶內實現低噪聲、較高增益和中等的輸出功率，且滿足較低功耗和低成本的要求，需要選擇噪聲系數良好，增益和輸出功率性能良好且面積較小的電路結構，綜上分析，因此該芯片采用共源共柵寬帶放大結構，并結合并聯負反饋結構；RLC并聯負反饋和新型直流饋電結構達到進一步拓展帶寬，提高電路穩定性的效果；采用共源共柵結構達到提高輸出電壓擺幅、電路的增益和隔離度的效果；同時由于本設計選擇的工藝放大管類型為增強型晶體管管，先比于耗盡型晶體管，它可以實現單電源供電且具有較優的噪聲系數，但其對工藝參數的波動更敏感，因此在共源管的柵極偏置部分采用新型有源偏置結構來改善電路隨工藝波動的敏感度。

1.2? 放大器的設計

該2～18 GHz超寬帶低功耗低噪聲放大器芯片的電路拓撲如圖1所示。為了在超寬帶范圍內獲得較低噪聲、較高增益和中等功率特性，放大電路部分采用改進的共源共柵結合并聯負反饋結構；放大電路的直流偏置部分，為放大晶體管提供合適的靜態工作點，放大電路在該工作點在能正常工作，發揮出良好穩定的射頻性能。直流偏置部分的濾波網絡還需濾除電源紋波雜波，隔離射頻與直流信號以保證電路正常工作。對于共源晶體管柵極偏置部分采用新型有源偏置結構，對于共柵晶體管柵極偏置部分采用無源偏置結構，對于共柵晶體管漏極Vdd供電部分采用兩個扼流電感串聯，并引入RC并聯單元已消除帶內諧振點的結構來拓展低頻帶寬，同時電源端口采用并聯C1地和串聯RC到地電路實現對電源低頻和高頻自激不穩定信號進行抑制。由于選用的晶體管工藝為增強型工藝，其噪聲系數和gm均占優勢，但工藝波動較耗盡型工藝略差，因此柵極偏置采用的新型有源偏置結構具有柵壓補償效果，能夠減小芯片性能隨工藝波動的敏感度，提高芯片一致性，同時提高電路的線性度。

通過對放大晶體管進行直流分析，可選取晶體管的直流工作點（如圖2所示），根據指標要求，對晶體管進行小信號特性（如圖3所示）和loadpull 輸出1 dB功率特性（如圖4所示）分析比較，選定晶體管的尺寸大小。該芯片共源共柵放大單元采用4×50 μm柵寬的晶體管。

在確定了放大器的電路結構、晶體管尺寸大小和直流工作點后，可以對放大器的輸入輸出端進行阻抗匹配設計；對于RLC并聯負反饋部分，電容C為隔直作用，低頻處需要很大的容值確保負反饋信號通過，電阻R主要影響反饋量，通過調整阻值大小來調整負反饋深度。芯片設計中，結合阻抗匹配技術給元件賦予合適的初始值，再以增益、噪聲、輸入/輸出駐波、P1dB等指標為目標進行指標優化，反復調整指導放大器的原理圖達到設計指標的要求并留有一定冗余量；接下來進行版圖的設計優化，并根據版圖布局需要反過來對原理圖電路進行調整，反復優化迭代至指標滿足要求。最終整體版圖設計完成后，再根據DRC規則做check和修改，確認性能后就可以進行流片。

2? 實驗結果

流片后的2～18 GHz超寬帶低功耗低噪聲放大器的芯片實物照片如圖5所示。整體芯片的尺寸僅為：1.4 mm×1.1 mm×0.1 mm。

對該超寬帶低功耗低噪聲放大器芯片進行了探針臺在片測試，其中射頻探針采用間距150 μm的GSG探針，直流探針采用單針進行+5 V饋電。在常溫工作條件下，直流偏置電壓為Vdd＝5 V，得到芯片工作電流Idd＝28 mA。該芯片的在片測試結果如圖6～圖9所示。圖6為低噪聲放大器噪聲系數的實測曲線，噪聲實測結果≤1.4 dB；圖7為低噪聲放大器小信號增益的實測曲線，小信號增益實測結果在全頻段范圍內為14～17 dB，且為正斜率；圖8為低噪聲放大器輸入輸出駐波的實測曲線，輸入輸出駐波實測結果均≤1.6；圖9為低噪聲放大器輸出P1dB功率實測曲線，輸出P1dB功率在全頻段范圍內≥12 dBm；所有指標實測結果均達到設計指標要求。

3? 結? 論

本文主要介紹了一款基于GaAs 0.15 um pHEMT工藝的2～18 GHz超寬帶低功耗低噪聲放大器芯片的設計過程和在片測試結果。該芯片采用結合有源偏置和并聯負反饋技術的改進型共源共柵放大結構，該結構使放大器在超寬帶的工作頻帶范圍內實現了低噪聲、低功耗、較高的增益和功率特性，同時減小了放大器性能受工藝波動的敏感程度。由在片測試結果可知，在2～18 GHz超寬帶工作頻率范圍內，噪聲系數≤1.5 dB，增益≥14 dB，且具有3 dB的正斜率，輸出P-1功率≥12 dBm，輸入輸出駐波≤1.6，功耗＜0.15 W，芯片尺寸僅為：1.4 mm×1.1 mm×0.1 mm。該低噪聲放大芯片實測結果良好，具有超寬帶、低功耗、低成本、高性能的優勢，在電子通信系統中有廣泛的應用前景。

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作者簡介：劉瑩（1986.05—），女，漢族，四川夾江人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：射頻微波毫米波芯片設計。

收稿日期：2022-09-26