X波段單片低噪聲放大器

成都嘉納海威科技有限責(zé)任公司 劉 瑩

一、引言

單片微波集成電路簡稱MMIC，是一種把有源和無源元器件制作在同一塊半導(dǎo)體基片上的微波電路。它具有體積小、穩(wěn)定性高、一致性好、寄生參量小、大批量低成本等特點(diǎn)，成為軍事電子和民用通信系統(tǒng)最具吸引力的選擇。

低噪聲放大器(LNA)作為射頻信號(hào)傳輸鏈路的第一級(jí)，它的噪聲系數(shù)特性決定了整個(gè)射頻電路前端的噪聲性能， 因此作為高性能射頻接收電路的第一級(jí)LNA 的設(shè)計(jì)必須滿足[1]： （1）較高的線性度以抑制干擾和防止靈敏度下降；（2）足夠高的增益，使其可以抑制后續(xù)級(jí)模塊的噪聲；（3）與輸入輸出阻抗的匹配，通常為50歐；（4）盡可能低的功耗，這是無線通信設(shè)備的發(fā)展趨勢所要求的。

本文介紹的8.5－10.5 GHz低噪聲MMIC 放大器不僅具有優(yōu)良的噪聲性能，而且還具有正斜率的高增益特性和較低功耗，具有很好的實(shí)際應(yīng)用性能。

二、MMIC放大器的設(shè)計(jì)

1.電路結(jié)構(gòu)及器件的選擇

常用的放大器電路結(jié)構(gòu)有：平衡結(jié)構(gòu)、行波結(jié)構(gòu)、有耗匹配、負(fù)反饋等[2]。本設(shè)計(jì)采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。放大器采用三級(jí)放大，以獲得較高的增益。為了兼顧噪聲、增益、輸出功率以及功耗，根據(jù)FOUNDRY廠家提供的器件參數(shù)，經(jīng)過分析比較，放大器的第一級(jí)采用350μm柵寬的器件，第二級(jí)采用250μm柵寬的器件，第三級(jí)采用88μm柵寬的器件,第一級(jí)和第二級(jí)采用電流復(fù)用的結(jié)構(gòu)來減小直流功耗。

2.放大器的設(shè)計(jì)

首先對(duì)所用有源器件進(jìn)行直流分析，獲得器件的直流工作點(diǎn)。根據(jù)器件實(shí)際使用中的工作狀態(tài)，對(duì)電路進(jìn)行小信號(hào)S參數(shù)分析就可以得到所關(guān)注的特性參數(shù)。

圖1 串聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)

為了獲得低噪聲與高增益特性，放大電路中采用源極串聯(lián)負(fù)反饋，其電路結(jié)構(gòu)如圖1。這對(duì)改善輸入輸出駐波、降低頻帶低端增益以實(shí)現(xiàn)增益的正斜率特性具有重要作用。為了在低功耗的工作狀態(tài)下獲得1.2dB的低噪聲系數(shù)，第一二級(jí)電路采用了復(fù)用電流的結(jié)構(gòu)，極大的降低了前兩級(jí)電路的工作電流。直流供電部分如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)加入了電阻來增大帶寬，可以實(shí)現(xiàn)電路的增益平坦度要求。低噪放的電路拓?fù)淙鐖D3所示。

圖2 偏置電路結(jié)構(gòu)

圖3 低噪聲放大器的電路拓?fù)?/p>

確定電路拓?fù)浜?，給元件賦予合適的初始值，以增益、噪聲、輸入/輸出駐波等電性能參數(shù)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。在電路仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后即進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，并根據(jù)布局需要反過來對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。對(duì)版圖無源電路部分進(jìn)行三維電磁場仿真優(yōu)化，最終獲得的放大器的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果如下圖所示。

圖4 噪聲系數(shù)仿真結(jié)果

圖5 增益仿真結(jié)果

圖6 輸入輸出駐波系數(shù)仿真結(jié)果

圖7 P-1及工作電流仿真結(jié)果

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

流片后的低噪聲放大器照片圖8所示。

圖8 單片放大器實(shí)物照片

對(duì)流片的低噪聲放大器進(jìn)行了在片測試，在常溫工作條件下，直流偏置Vds＝3V、Vgs＝-0.35V、Ids＝40mA，噪聲特性在片測試結(jié)果圖9所示，低噪放的增益特性在片測試結(jié)果如圖10所示。

圖9 噪聲系數(shù)在片測試結(jié)果

圖10 增益在片測試結(jié)果

圖11 輸入輸出駐波在片測試結(jié)果

圖12 輸出功率在片測試結(jié)果

四、結(jié)語

由在片測試結(jié)果可知，在8.5-10.5 GHz頻率范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)典型值小于1.2dB,增益>30dB，具有3dB的正斜率，P-1大于7dBm，輸入輸出駐波≤1.4：1,其中增益在8.5_9.5GHz比仿真結(jié)果低1dB左右，噪聲在8.9_9.2GHz約為1.3dB，考慮到在片測試沒有考慮輸入輸出端約0.2nH的金絲影響，應(yīng)該說，仿真結(jié)果與實(shí)際電路特性的符合性較好，該放大器的噪聲性能指標(biāo)達(dá)到較好水平。

[1]James J.,Whelehan.“Low noise amplifiers—then and now.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques”,March 2002,vol.50(No. 3)：806-813.

[2]K.Niclas,“GaAs MESFET feedback amplifier, design considerations and characteristics”,Microwave J.23,39-48,1980.