基于0.15μm GaAs工藝6-18 GHz寬帶低功耗低噪聲放大器

成都嘉納海威科技有限責任公司 滑育楠 廖學介 鄔海峰

1.引言

隨著電子裝備的不斷變革，雷達與電子戰技術的發展對射頻前端中的低噪聲放大器的性能提出了寬帶、低噪聲、低功耗等要求。這是由于低噪放位于接收系統的前端，其噪聲系數對整個系統的噪聲影響最大，其增益將決定對后級電路的噪聲抑制程度，其線性度對整個系統的動態范圍產生重要的影響。現有國外寬帶低噪聲放大器芯片可以在較寬頻帶內實現較低的噪聲和高線性度[1]-[3],但是國內卻鮮有相關產品的報道，并且這些電路主要是共源-共源結構或者共源-共柵結構。傳統的共源-共源放大器通過兩級電路電源分別饋電，前級晶體管通過電阻降壓獲得合適的漏壓，造成功耗增加；而共源-共柵低噪聲寬帶放大器雖然利用共柵結構大幅改善了輸出阻抗匹配，拓寬了帶寬，但是對增益貢獻很小。

為了解決上述難題，本文設計了一種基于自偏置技術和電流復用方法的共源-共源結構的低噪放芯片結構，從而提高低噪聲放大器的性能指標間的良好權衡，實測結果表明該芯片在兼顧低功耗的同時具有極佳的寬帶低噪聲性能和高線性度特性。

2.電路設計

圖1 電流復用的兩級共源-共源放大器電路原理圖

如圖1所示，本論文的低噪聲寬帶放大器電路采用電流復用的兩級共源-共源放大器電路結構，同時采用單電源供電使得應用更加方便。第一級采用自偏置結構，同時和第二級形成電流復用偏置，第二級電路的晶體管的源極通過一個高電抗電路連接第一級電路的漏極，為第一級晶體管提供偏置電流，達到電流復用的作用。高電抗結構利用一個大電感，實現隔離前后級射頻信號的效果。為改善電路的輸入、輸出匹配，第二級電路采用并聯反饋結構，同時可獲得良好的增益平坦度并有效拓展寬帶寬。

第一級晶體管M1和第二級晶體管M2的柵寬分別為4×50 um和4×75 um。電容C1和電感L1組成的串聯諧振通路，將第一級晶體管M1和輸出信號耦合到第二級晶體管M2的輸出端。電容Cs2和電感L2連接第一級晶體管M1和第二級晶體管M2，用于將第二級晶體管M2的直流電流提供給第一級晶體管M1且將射頻信號在此支路阻斷。在兩級級聯電路中，第一級晶體管主要實現低噪聲和輸入駐波匹配，同時兼顧提高增益，減小后級噪聲的影響。采用自偏置技術實現了單電源供電。第一級晶體管的柵極通過一個大電感Lg1接地，讓第一級晶體管的柵極偏置在零電位，同時阻斷射頻信號進入交流地。在第一級晶體管的源端插入一個小電阻Rs1，其值等于所需Vgs1除以希望的漏極電流，將源端電位提高到一個正的直流電位，幅度等于所需的柵-源極間的電壓，為了防止損失射頻增益，源端通過一個大的去耦電容Cs1接地。第二級晶體管M2從漏極到柵極之間加載了RLC負反饋電路。負反饋可以拓展帶寬并穩定放大器。因此，本論文所述的寬帶低噪聲放大器節省了功耗的同時保持較高增益。

3.實驗結果

圖2 寬帶低噪聲放大器的芯片照片

該電路結構采用0.15um的GaAs pHEMT工藝流片加工后，獲得的芯片厚度為100 um，最終完成的芯片尺寸為1.97×1.35 mm2，芯片照片如圖2所示。將芯片裝入測試夾具進行微波電性能測試，工作電壓5V，電流43mA。

圖3 增益和駐波仿真與測試結果

圖4 噪聲系數仿真與測試結果對比

圖5 輸出P-1仿真與測試結果對比

圖3為仿真與測試的增益、駐波曲線。從測試結果中可以看出，測試與仿真結果吻合較好，增益測試結果高端漲了1dB左右，具有一定正斜率。駐波在6-18G頻帶內均小于2，但帶內較仿真結果波動較大，造成增益也有一定波動，這和測試夾具性能較差有關。圖4與圖5分別為噪聲系數和輸出功率P-1的仿真與測試結果對比曲線圖。從對比圖中可以看出，輸出P-1仿真與測試基本保持一致，均大于13dBm，測試結果的噪聲系數在帶內惡化0.3 dB左右，但均小于2dB。噪聲系數惡化主要是由于流片工藝噪聲系數模型在該頻段準確度不夠，此外，夾具測試也會帶入一定的誤差。

4.結論

本論文采用0.15um GaAs pHEMT工藝研制了一款6-18 GHz低噪聲寬帶放大器芯片，芯片尺寸為1.97 ×1.35 mm2。在6-18 GHz頻帶內測試結果顯示：放大器帶內增益高達21dB，噪聲系數典型值為2 dB，輸入、輸出駐波比均小于2，P-1大于13dBm。芯片在5V工作電壓下，電流為43mA，采用電流復用技術比傳統設計的功耗降低將近40%。

[1]J.S.Mandeep A.Huda,and R.Nitesh,“A compact, balanced low noise amplifier for WIMAX base station applications,”Microwave Journal 53.11,2010.

[2]P.Nguyen,Duy,et al.,“A 14-31 GHz 1.25 dB NF enhancement mode GaAs pHEMT low noise amplifier,”IEEE MTT-S International Microwave Symposium,2017.

[3]H.Zhang,et al.,“A 3-15GHz ultra-wideband 0.15-μm pHEMT low noise amplifier design,”IEEE Communication Systems,2016.