用于S波段的高線性低噪聲放大器

張勝標(biāo)，張志浩，章國(guó)豪

（廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，廣州510006）

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用于S波段的高線性低噪聲放大器

張勝標(biāo)，張志浩，章國(guó)豪*

（廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，廣州510006）

摘要：采用E-mode 0.25 μm GaAs pHEMT工藝，2.0 mm×2.0 mm 8-pin雙側(cè)引腳扁平封裝，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于S波段的噪聲系數(shù)低于0.5 dB的低噪聲放大器。通過采用共源共柵結(jié)構(gòu)、有源偏置網(wǎng)絡(luò)和多重反饋網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)改進(jìn)了電路結(jié)構(gòu)，該放大器具有低噪聲，高增益，高線性等特點(diǎn)，是手持終端應(yīng)用上理想的一款低噪聲放大器。測(cè)試結(jié)果表明在2.3 GHz~2.7 GHz內(nèi)，增益大于18 dB，輸入回波損耗小于-10 dB，輸出回波損耗小于-16 dB，輸出三階交調(diào)點(diǎn)大于36 dB。

關(guān)鍵詞：低噪聲放大器；高線性；低噪聲；GaAs pHEMT；S波段

現(xiàn)代移動(dòng)通信對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高的要求使得無線通信系統(tǒng)的載波頻率普遍進(jìn)入S波段［1］，包含這些通信頻段的諸多無線通信系統(tǒng)，如移動(dòng)通信（WCDMA，TD- SCDMA，LTE），無線局域網(wǎng)（WLAN），和衛(wèi)星通信系統(tǒng)（GPS，BDS）等，對(duì)各自的射頻前端接收模塊提出了不同的需求?，F(xiàn)代智能手機(jī)集成了不斷發(fā)展增長(zhǎng)的不同頻帶的無線通信標(biāo)準(zhǔn)/技術(shù)和多項(xiàng)無線服務(wù)，這種趨勢(shì)不可避免地對(duì)智能手機(jī)提出了更高的要求。對(duì)于射頻接收端，尤其是低噪聲放大器，噪聲系數(shù)和線性度直接影響并決定著接收機(jī)靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍，這就要求接于天線之后的低噪聲放大器具有盡可能低的噪聲來提高接收機(jī)的靈敏度和足夠的功率增益來壓縮后級(jí)電路的噪聲以降低接收系統(tǒng)的總體噪聲，因此應(yīng)用于手持終端中的低噪聲放大器需要具有很低的噪聲系數(shù)和足夠的功率增益，以便接收機(jī)達(dá)到更好的靈敏度。

很多應(yīng)用于S波段的低噪聲放大器設(shè)計(jì)采用了GaAs pHEMT，MESFET和HBT工藝［2-4］。目前報(bào)道的cascade pHMET LNA在5 GHz時(shí)最小噪聲系數(shù)為0.76 dB，增益為16 dB［5］，在1.9 GHz時(shí)噪聲系數(shù)為0.5 dB［6］，在2.5 GHz時(shí)報(bào)道的最低噪聲系數(shù)為0.53 dB［7］。

1　低噪聲放大器設(shè)計(jì)

1.1器件選擇

選用0.25 μm GaAs增強(qiáng)型贗配高電子遷移率晶體管（E-pHEMT）工藝，工藝結(jié)構(gòu)如圖1，pHEMT在結(jié)構(gòu)上采用了GaAlAs/InGaAs/GaAs，利用不相似半導(dǎo)體材料帶隙差別，讓電子集聚在窄的勢(shì)壘阱中，pHEMT的柵區(qū)金屬片直接與n型半導(dǎo)體形成肖特基接觸，致力于大大突破MESFET的最高頻率的限制，而同時(shí)保持其低噪聲性能和高功率額定值。增益寬帶ft達(dá)到32 GHz，具有較好的噪聲特性與增益帶寬，最大漏極電流IDmax450 mA/mm，跨導(dǎo)550 mS/mm，這些指標(biāo)決定了器件有較寬的應(yīng)用頻率范圍，輸出功率及線性，使其非常適合這個(gè)頻段的低噪聲放大器設(shè)計(jì)，且pHEMT工藝在FET的門極只需要正電壓，這樣就可以直接把電源接地，并且無需額外元件構(gòu)成自偏置結(jié)構(gòu)，電路仿真也因此可以相當(dāng)精確，因而也簡(jiǎn)化了LNA設(shè)計(jì)。

圖1　pHEMT結(jié)構(gòu)

外部匹配會(huì)增加插入損耗并因此降低LNA的噪聲系數(shù)，合理地選擇晶體管能夠減少外部匹配網(wǎng)絡(luò)使用的元件，減少由匹配器件所引起的噪聲惡化。通過調(diào)整額定偏置電流設(shè)定使其輸入阻抗接近50 W可以消除輸入匹配要求并使LNA的噪聲系數(shù)降至最低，同時(shí)晶體管的尺寸還要同時(shí)滿足功率、可靠性和穩(wěn)定性的要求。

1.2電路拓?fù)浞治?/p>

噪聲系數(shù)（NF）性能是接收器系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一，因?yàn)樗枋龅氖菍?duì)低電平信號(hào)的接收能力，噪聲系數(shù)越低，接收器的靈敏度越好。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的噪聲性能，設(shè)計(jì)LNA時(shí)應(yīng)該充分考慮器件尺寸（柵寬）和匹配結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)理想的噪聲匹配，但同時(shí)也要考慮噪聲與回波損耗，線性度和靜態(tài)電流之間的合理折中。LNA器件的小信號(hào)等效模型［8］如圖2所示。這個(gè)模型包含了柵源電容Cgs，跨導(dǎo)Gm，由寄生電阻Rg，Rd，Rs組成的輸入電阻Rin，輸出電阻rds，還有信號(hào)源（Gg+jBg）和串聯(lián)負(fù)反饋電感Ls。由小信號(hào)模型可以清楚的看到器件噪聲內(nèi)部來源于電阻Rin和rds，外部來源于源電導(dǎo)Gg和負(fù)載電阻。

噪聲跟輸入導(dǎo)納有密切的關(guān)系，給定器件噪聲參數(shù)Rn，F(xiàn)min，Γopt，輸入導(dǎo)納對(duì)噪聲系數(shù)的影響由下列表達(dá)式給出［9］：

源導(dǎo)納接近Γopt時(shí)可獲得最佳噪聲系數(shù)，其值Γopt和Γin主要由器件柵寬和外部源負(fù)反饋電感Ls影響。選擇合適的器件尺寸面積（柵寬和Finger個(gè)數(shù)）最小化輸入電阻Rin，來滿足輸入匹配的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最小噪聲和最佳回波損耗。

圖2　簡(jiǎn)化的LNA電路模型

1.3LNA電路拓?fù)?/p>

LNA是接收電路的第1級(jí)，其特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能產(chǎn)生直接影響。LNA需要具有良好的噪聲系數(shù)，并提供足夠的增益，以確保整個(gè)接收系統(tǒng)具有最小噪聲系數(shù)；同時(shí)當(dāng)接收信號(hào)較大時(shí)，應(yīng)有足夠的線性度以減小信號(hào)失真。共源共柵電路結(jié)構(gòu)可以降低結(jié)電容的米勒效應(yīng)對(duì)寬帶的影響，可用于擴(kuò)展帶寬，同時(shí)又擁有高增益，寬帶寬，穩(wěn)定性好，線性度高等特性，適合用于低噪聲放大電路的設(shè)計(jì)。

圖3　低噪聲放大器拓?fù)?/p>

設(shè)計(jì)的改進(jìn)了電路結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，共源共柵設(shè)計(jì)的第1級(jí)旨在獲得最佳的噪聲系數(shù)、輸出阻抗匹配和目標(biāo)漏源電流（Ids）下的P1 dB。而第2級(jí)則是在不影響其它性能的前提下獲取最佳的OIP3性能、輸出匹配和P1 dB。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過源極電感Ls反饋幾乎可以在所有阻抗下保持穩(wěn)定（在添加級(jí)間網(wǎng)絡(luò)、輸出網(wǎng)絡(luò)、傳輸線路損耗和SMT元件寄生阻抗后，可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)穩(wěn)定）。On-chip電路為圖中正方形內(nèi)部的器件，其中包括一個(gè)共源共柵放大器（Q1和Q2），一個(gè)有源偏置電路，這種配置可以最小化片外電路器件個(gè)數(shù)，使得片外電路對(duì)噪聲系數(shù)的影響最小化。有源偏置電路為晶體管Q1提供柵壓偏置，R1，R2電阻分壓式偏置網(wǎng)絡(luò)為晶體管Q2提供柵壓偏置，電阻分壓式偏置電壓對(duì)輸入輸出三階交調(diào)點(diǎn)影響較大，選取電源電壓的一半時(shí)可獲得最佳輸入輸出三階交調(diào)點(diǎn)。電容C3的變化會(huì)對(duì)噪聲系數(shù)，增益，線性度以及穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響，選擇合適的值確保在使用頻率范圍內(nèi)Q2的柵對(duì)地射頻短路。

晶體管Q5用耗盡型贗配高電子遷移率晶體管源漏（D-pHEMT）相連，單管導(dǎo)通電壓為1.2 V，反向連接用來作靜電保護(hù)。Lin，Lout為扼流電感，C1，C6為隔直電容，同時(shí)Lin還作為輸入匹配電感并聯(lián)到柵端，用于實(shí)現(xiàn)輸入阻抗和噪聲系數(shù)源阻抗的匹配，它影響輸入反射系數(shù)和噪聲系數(shù)，作為無源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)需要優(yōu)化到合理的值，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)由C1、Lin、C2實(shí)現(xiàn)，選用高Q元件以獲取最佳的噪聲系數(shù)。電路第1第2級(jí)之間采用串并聯(lián)L3R5網(wǎng)絡(luò)，在低頻率時(shí)充當(dāng)?shù)妥杩?，而在高頻率時(shí)充當(dāng)高阻抗，提高電路高頻穩(wěn)定，對(duì)線性度也有一定影響。第2級(jí)采用R3C4串聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)提高電路穩(wěn)定性，RC串聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)會(huì)降低噪聲系數(shù)，因此它通常用在第2級(jí)設(shè)計(jì)中，而不用于第1級(jí)設(shè)計(jì)，這種反饋也有利于OIP3，回波損耗（RL）和增益調(diào)整。輸出端采用R6C5串聯(lián)接地，這種網(wǎng)絡(luò)的作用是在高頻率時(shí)充當(dāng)分流電阻，而在低頻率時(shí)充當(dāng)高阻抗，接地的分流電阻有利于穩(wěn)定設(shè)備，增大高頻損耗降低高頻增益，同時(shí)提高了高頻的穩(wěn)定性。

1.4高線性實(shí)現(xiàn)

以輸出三階交調(diào)截取點(diǎn)（OIP3）表征了當(dāng)有頻率相近信號(hào)時(shí)，放大器抑制互調(diào)失真的能力，輸出三階交調(diào)截取點(diǎn)越大，表征放大器抑制雜波的能力越強(qiáng)，線性度越好。帶內(nèi)和帶外的輸入、輸出端接負(fù)載，將直接影響放大器的線性度。放大器的輸入和輸出負(fù)載可以通過源和負(fù)載牽引技術(shù)掃描得到。源與阻抗Zs=64+j44 W完成匹配獲得所需的NF、輸入回波損耗和偏置電流增益后，P1 dB和OIP3將取決于輸出匹配和反饋網(wǎng)絡(luò)。通過使用多重反饋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用仿真模型估算在2.5 GHz下兩個(gè)相隔5 MHz的音調(diào)的OIP3，每個(gè)音調(diào)的輸入功率為PIN=-20 dBm。圖4在史密斯圖上顯示了負(fù)載牽引阻抗，其中的圓表示在2.5 GHz時(shí)最佳的OIP3區(qū)域。

圖4　OIP3和輸出功率的仿真負(fù)載牽引

2　低噪聲放大器的性能與分析

芯片采用8-pin雙側(cè)引腳扁平封裝（DFN），這種封裝能減小芯片外部金屬等許多因素反射引起的噪聲系數(shù)惡化和輸入輸出損耗。圖5為版圖照片和封裝后測(cè)試電路板照片。測(cè)試電路板應(yīng)用測(cè)試板布線的設(shè)計(jì)旨在盡可能獲得最低噪聲系數(shù)和最佳穩(wěn)定性。測(cè)試板為在50 mil厚的FR4基底上疊加10 mil厚的Rogers 4350B基板。RF電路中選擇使用Rogers 4350B材料，是由于它具有介電常數(shù)（εr）低、介電常數(shù)不易受隨溫度變化的影響等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)最佳的噪聲性能。成本相對(duì)較低的FR4材料則用于承載其余壓層，并提高機(jī)械剛度和厚度。微帶線寬度和空間設(shè)計(jì)能夠接受常用的0402尺寸的表面安裝元件，同時(shí)維持統(tǒng)一的50 W。覆銅厚度為1.4 mil，可減少電路損耗及其對(duì)噪聲系數(shù)的累加效應(yīng)。

圖5　

測(cè)試在常溫環(huán)境下進(jìn)行，使用噪聲系數(shù)測(cè)試儀（Agilent N8975A）和矢量分析儀（Agilent N9020A）對(duì)芯片的噪聲系數(shù)，增益，輸入輸出回波損耗，輸出三階交調(diào)點(diǎn)，VSWR駐波比等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，電壓供電為5 V，靜態(tài)工作電流為62 mA，芯片的小信號(hào)S參數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

由S參數(shù)測(cè)試結(jié)果可知，輸入輸出回波損耗低，S11、S22小于10 dBm，表明在折中考慮了增益和線性度的前提下實(shí)現(xiàn)了很好的輸入輸出匹配。S12小于30 dBm，實(shí)現(xiàn)了高反向隔離度的設(shè)計(jì)，使輸出端功率更少的反射回輸入端，提高放大器的線性度。

圖6　S參數(shù)測(cè)試結(jié)果

電路版圖采用合理的布局，使射頻信號(hào)走線盡量短，同時(shí)采用雙層金屬走線添加PV層的方式，從而極大減少走線的寄生電感和電阻，而減少射頻輸入端寄生電阻也就減少了走線對(duì)噪聲的影響，從而測(cè)試得到的噪聲系數(shù)接近合理值。在考慮了流片和PCB板損耗之后，測(cè)試的噪聲系數(shù)（NF）結(jié)果如圖7所示，在2.3 GHz到2.7 GHz范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)小于0.5 dB，與仿真結(jié)果誤差在0.1 dB范圍內(nèi)，在2.5 GHz時(shí)，噪聲系數(shù)為4.85dB。圖8為測(cè)試的小信號(hào)增益（S21），在2.3 GHz到2.7 GHz范圍內(nèi)，小信號(hào)增益大于18.1 dB，增益平坦度小于0.5 dB，與仿真結(jié)果存在誤差，比仿真結(jié)果小了0.3 dB左右，這些損耗是可以接受的，因?yàn)樵诜抡鏁r(shí)沒有完全考慮到無源器件和封裝等因素的反射對(duì)電路的影響，在2.5 GHz時(shí)，小信號(hào)增益為19.02 dB。圖9為輸出三階交調(diào)點(diǎn)（OIP3）的測(cè)試結(jié)果，在2.3 GHz到2.7 GHz范圍內(nèi)，輸出三階交調(diào)點(diǎn)大于36.0 dBm，與仿真結(jié)果誤差范圍小于0.5 dBm，主要由增益誤差引起的OIP3誤差。

圖7　噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖8　增益測(cè)試結(jié)果

圖9　OIP3測(cè)試結(jié)果

表1是工作在同一頻率范圍的采用相同工藝的不同低噪聲放大器設(shè)計(jì)的對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，改進(jìn)了電路的低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，更好的兼顧了噪聲系數(shù)、增益和輸出三階交調(diào)點(diǎn)之間的折中，在實(shí)現(xiàn)低噪聲的同時(shí)，保證了高增益和高線性度。

表1　低噪聲放大器主要性能對(duì)比

3　總結(jié)

采用WTK 0.25 μm GaAs增強(qiáng)型贗配高電子遷移率晶體管（E-pHEMT）工藝，設(shè)計(jì)的一款應(yīng)用于S波段的高線性低噪聲放大器。測(cè)試結(jié)果表明在2.3 GHz~2.7 GHz范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)低于0.5 dB，增益大于18 dB，輸出三階交調(diào)點(diǎn)大于36 dBm，且LNA在18 GHz頻帶范圍內(nèi)無條件穩(wěn)定。這個(gè)設(shè)計(jì)滿足手持終端對(duì)低噪聲放大器的要求，同時(shí)由于噪聲系數(shù)小于0.5 dB，輸入輸出反射系數(shù)小于-10 dB，因此，這款芯片還可用于其他無線通信設(shè)備寬頻帶領(lǐng)域，如GPS，北斗導(dǎo)航等接收機(jī)中。

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張勝標(biāo)（1990-），男，廣東梅州人，廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯漕l集成電路設(shè)計(jì)，shengbiaozhang@foxmail.com；

章國(guó)豪（1964-），男，美籍華人，廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)樯漕l、微波及毫米波單片電路及組件。

A High Performance Synthesizer Design Based on DDS Driving PLL

FU Qianhua1，2*，YI Miao3

（1.School of Electrical Engineering and electronic Information，Xihua University，Chengdu 610039，China；
2.School of Information and Software Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China；3.College of Physics and Technology，Yichun University，Yichun Jiangxi 336000，China）

Abstract：A high resolution P-band synthesizer with low spurious and low phase noise was developed for fitting to all types of CDMA RF transceiver LO application requirements. The characteristic that DDS output signal has high resolution and PLL has narrowband tracking filter was full used，the defect of DDS was avoided，which narrow band spurious are hardly eliminated，the wideband spurious of DDS that caused by DAC nonlinearity and amplitude quan?tization error are restrained effective，through frequency planning and parameters configuration. The feasibility of scheme is analyzed by simulation，a synthesizer sample is developed and tested. The result shows its output frequen?cy range is 755 MHz～765 MHz，frequency resolution is 100.5 kHz，spurious is better than -71 dBc，phase noise is better than -105 dBc/Hz@1 kHz.

Key words：communication technology；spurious suppression；frequency synthesis；phase noise；phase locked loop EEACC：1230

doi：10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.013

收稿日期：2015-04-14修改日期：2015-05-19

中圖分類號(hào)：TN722.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490（2016）01-0057-05