GaAs工藝0.4～3GHz高線性度低噪聲放大器芯片

成都嘉納海威科技有限責任公司 呂繼平 鐘 丹 王測天 鄔海峰

5G通信系統具有更高的信息傳輸容量和速度，因此具有廣闊的市場應用前景。但是由于5G通信系統采用了部分sub-6GHz以下的通信頻段，導致頻段利用更加擁擠，采用合理的通信系統和傳輸協議是高效利用頻譜資源的關鍵。為了高效地利用有限的頻譜資源，需要顯著提高通信系統的線性度和動態范圍等指標。作為5G通信系統中射頻前端的關鍵器件，低噪聲放大器位于天線之后，是接收系統中的第一個有源器件，因此其噪聲系數決定著整個系統的噪聲優劣，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。然而，當前傳統射頻與微波低噪聲放大器芯片設計中，一直存在一些設計難題，主要體現在：低功耗、高增益、低噪聲放大指標相互制約以及低功耗和高線性度指標相互制約。目前，國內外對寬帶低噪聲放大器暫不具備放大器關斷（Power down-PD）功能，無法滿足TDD系統的特殊需求。

為了滿足5G無線通信系統在0.4～3GHz頻段的應用，實現寬帶、高線性度、低噪聲的指標，本文基于Cascode結構設計了一款具備Power down功能的0.4～3GHz的低噪聲、高線性度放大器。實測結果顯示，在5V工作電壓下，芯片直流功耗為60mA，放大器帶內增益≥18dB，輸入、輸出回波損＜-12dB，噪聲系數＜0.8dB，輸出1dB壓縮點≥21.5dBm，輸出三階截點≥32dBm。

1 電路設計

圖1為本文提出的高線性度低噪聲放大器的電路原理圖。基于0.25μm GaAs pHEMT工藝，晶體管M1和M2構成Cascode結構（共源共柵），共源晶體管M1和共柵晶體管M2的柵寬分別為3×75μm和3×120μm。同傳統共源放大器相比，Cascode結構提升了放大器的增益、輸入輸出隔離度，同時，Cascode結構中的共源放大器對芯片性能的影響占主導作用，工作在低漏極電壓狀態下，噪聲系數得到了改善。為了進一步改善放大器噪聲系數，共源級電路使用源極串聯電感負反饋結構來增加輸入阻抗并實現噪聲匹配。整個放大器芯片采用有源偏置結構，可以提高放大器溫度穩定性。本電路的共源極共柵極電路均使用了RC并聯負反饋結構，來調節輸入輸出匹配，并擴展帶寬，改善穩定性能；電容C2和電阻R2為輸出端到共柵管M2柵極的負反饋電路，能夠改善電路穩定性，調節增益并改善線性度性能。放大器Power down功能電路中，當PD端輸入低電平時，晶體管M4關斷，此時晶體管M2柵極為高電平，源漏導通，放大器有射頻輸出；當PD端輸入高電平時，晶體管M4源漏導通，此時晶體管M2柵極為低電平，源漏關斷，放大器無射頻輸出。

圖1 低噪聲放大器電路原理圖

2 實驗結果

本電路芯片版圖調試優化后進行了流片加工，芯片照片如圖2所示，尺寸為0.72×0.62mm2。在VDD采用5V工作電壓時，放大器靜態電流為60mA。利用矢量網絡分析儀和電源測試芯片性能指標，測試結果如圖3所示。在0.4～3GHz工作頻段內，放大器芯片增益大于等于18dB，具有一定正斜率，輸入、輸出回波損耗優于-12dB，噪聲系數在工作頻段內最大值為0.8dB，放大器的輸出1dB壓縮點在工作頻段內大于等于21.5dBm，輸出三階截點OIP3大于32dBm。

圖2 寬帶低噪聲放大器的芯片照片

圖3 S參數及線性度測結果

結論：本文基于0.25μm GaAs pHEMT工藝，采用Cascode結構作為放大級，研制了一款工作在0.4～3GHz具備Power down功能的高線性度低噪聲放大器，芯片尺寸為0.72×0.62mm2。芯片實測結果顯示，在5V工作電壓和60mA靜態電流條件下，放大器帶內增益≥18dB，輸入、輸出回波損耗優于-12dB，噪聲系數小于0.8dB，輸出1dB壓縮點優于21.5dBm，輸出三階截點優于32dBm。該高線性度低噪聲放大器射頻性能可以滿足5G無線通信系統TDD射頻前端的應用需求。