寬帶低噪聲放大器的設計

葉波濤

（中國船舶重工集團公司第八研究院，江蘇 揚州225001）

最近一段時期以來，單片微波式集成電路（monolithic microwave inte-grated circuit，MMIC） 由于其體積小巧、集成程度高、可靠性好等優點取得了迅速的發展以及進步，逐步替代了常規的混合型集成電路。伴隨著5G移動通信技術的高速進步，相關網絡中需要同時傳輸音頻、視頻及圖像等大容量的數據信息，對超大帶寬的需求持續提升[1]，為此在確保放大器噪音較低、功耗較低、增益較高、尺寸較小等條件的基礎上，拓展低噪音放大器（low noise amplifier，LNA）的帶寬已經成為相關工程技術人員研究的熱點問題。

現階段，世界各個領域的相關學者針對高寬帶的低噪音放大器實施了一系列深入的科學研究，拓展低噪音放大器在電路的主體構造上可以分成反饋模式、分布模式、平衡模式等等，反饋模式以及平衡模式的拓展低噪音放大器的帶寬相對來講比較狹窄，而平衡式拓展低噪音放大器的整體結構尺寸比較大。分布模式（distributed）的結構模式具備頻帶較寬、駐波比較小、電路系統的魯棒性優良等優點，不過在超大的寬帶區間之內，功耗較大、噪音系數較高、結構尺寸較大等問題還需進一步改進和優化。應用CMOS工藝方法規劃設計分布模式的拓展低噪音放大器時，介質的損耗程度將會伴隨著頻率的增加而漸漸惡化，在超大的寬帶區間之內，無法同時達到較高的功率以及較低的噪音效果。GaAs單元的元器件載流子的遷移比率以及襯底的電阻率相對較大，因此具備了增益較高、噪音較低等的功能和效果，為此本文的設計試驗過程選取的是臺灣的穩懋公司開發的0.13μm制程的GaAs PHEMT工藝方法，開發出一類功耗較低、噪音較低、7倍頻程的分布模式的低噪音放大器設備。

1 分布模式放大器的基本原理

放大器的基本工作原理指的是將輸入及輸出的電感、電容單元分別導入到輸入以及輸出的微帶線系統之內，借助諸多微帶線系統及晶體管組成有損的微帶線系統，如果在微帶線系統的負載和相關的特征阻抗達到可以互相匹配的情況下，可以視作沒有頻率限制的有損分布平均的微帶線系統，此時的數據信號為行波的模式在微帶線系統內進行傳送。如果在輸入以及輸出的微帶線系統的傳輸相速度保持一致的情況下，輸入的數據信號將在晶體管內部得到放大的效果，在比較理想的情況之下，組成沒有特定頻率約束限制的分布模式放大器裝置，因此分布模式的放大器裝置具備頻帶較寬以及駐波比相對較小等優點，其中n級的分布模式放大器裝置的簡化模型示意圖如圖1所示，其中的Zg與Zd分別指的是柵極與漏極的微帶線系統的特性阻抗數值，lg與ld分別指的是柵極與漏極微帶線系統的長度數值。

圖1 n級分布模式放大器裝置簡化模型示意圖

把系統的電路拆分成為柵極傳輸線及漏極傳輸線分別實施研究，單元柵極線系統以及單元漏極線系統的等效電路模型示意圖如圖2所示。在忽略系統損耗的條件下，該電路系統的柵極線以及漏極線的特性阻抗的表達式如式（1）和式（2）所示。

圖2 單元等效電路模型示意圖

式中的Lg與Ld分別指的是單元的長度柵極與漏極的電感數值，Cg與Cd分別指的是單元長度柵極與漏極的電容數值，αg和αd分別指的是柵極部分以及漏極部分的衰減程度的系數。在理論情況下，系統增益G與級數的最理想的數值Nopt如式（5）和式（6）所示。

根據式（5）與式（6）可以看出，增益數值將會伴隨著級數數值N的增大而持續增加，然而放大器裝置的柵極與漏極的微帶線系統會發生電阻相關的能量消耗，隨著輸入電信號微帶線離輸入信號端的距離越遠，得到的電信號將會越弱，如果持加大晶體管的單元級數數量無法提升系統的增益，所以電路系統存在著一個最佳的工作級數數值。這個最佳級數數值Nopt和系統中晶體管的相關參量值、晶體管的工作頻率及微帶線的特性阻抗數值存在著相關性。放大器裝置的相關指標不但要求增益數值較高，另外必須照顧到噪音系數、回波損失、功率損耗、芯片單元的結構尺寸等條件的制約，經過全方位的考慮，分布模式放大器裝置應用了6級拓撲的結構形式[2]。

2 電路結構的設計

通常在26GHz之下的情況，柵寬的數值越大，噪音系數也相應越大，并且系統中的晶體管的跨導數值將會相應提升，增益數值隨之增大，不過隨著柵源的電容數值的增加，晶體管截止頻率數值降低，柵指的NOF數值取3，各種柵寬的增益數值以及NFmin的變化狀態情況如圖3所示。在晶體管單元的柵寬取值為（2×100）μm時，跨導數值較大，不過總體的噪音系數較大，在晶體管柵寬取值為（2×25）μm時，跨導數值較小，提升漏極的電壓增益和晶體管的功率損耗，全方位綜合對比分析之后，選取3個（2×55）μm制程的晶體管單元，采用Agilent公司開發的ADS（Advanced De-sign System）相關程序軟件2018實施靜態的直流工作節點仿真模擬分析，最后確定Vg1=-0.25V，Vg2=1.5V，Vd=2.55V，電流的消耗量為71.5mA。本設計涉及的多級分布模式放大器裝置，有效地預防了放大器可能出現的自激勵情況，確保了其處在絕對穩定模式下運行。

圖3 各種柵寬的增益數值以及NFmin的變化狀態情況對比圖

一般來講，單級的共源構造的分布模式放大器裝置的增益數值是9.5dB左右，如果應用共源型共柵（Cascode）的主體構造進行拓展低噪音放大器的放大級的高增益效果，共柵級的晶體管單元位于頻率較高的區間將會發揮負阻抗的效應，用來補償由于漏極的微帶線而發生的能量損失，可以顯著提高高頻區間的增益數值，降低增益圖形的平坦程度，拓展帶寬范圍，去除第2級晶體管單元特有的密勒效應，降低第1級晶體管單元特有的密勒效應。將共源及共柵的主體結構使用在分布模式的拓展低噪音放大器中，在加大比較小芯片面積的前提之下，較大地提升了拓展低噪音放大器的各項性能指標，Cascode分布模式放大器裝置的簡化電路如圖4所示。

圖4 Cascode分布模式放大器裝置的簡化電路圖

在共源的晶體管單元的源極增加小型電感裝置L1、2個晶體管單元之間的電感L2及輸出的峰值電感L3可以實現系統帶寬與增益數值的增大，因為電感數值均為PH的數量級，使用微帶線系統替代電感單元用來壓縮芯片的總體空間體積。共柵的晶體管單元在柵極位置并聯上1個去耦形式的電容C，用以調整系統的高頻部分的增益波動程度，拓展帶寬的區間，有效去除自激勵情況，確保電路的運行穩定性[3]。

3 結果的驗證及總結

仿真工作完成之后會進行版圖的規劃設計，電路版圖外形尺寸為（2.15×1.25）mm，應用ADS程序軟件實施分析并且設計模型，版圖聯合仿真結果如試驗結果所示，位于運行頻率（0.85～31.5）GHz以內時，系統的增益數值為（15.5±1）dB，平坦程度比較小，輸入以及輸出的回波損失均＜-10.5dB，電路結構的整體回波損失滿足相關要求，噪音系數達到2.15dB，如果＞30.15GHz的時候，噪音系數將大幅度增加，增大柵極部分的電容C的數值，減少此頻段的噪音系數值，不過相關的增益將會出現尖峰，選取1個合適的電容數值，在15.5GHz的時候，1.5dB壓縮節點的輸出功率＞10.5dBm，線性程度優良。為了實現拓展低噪音放大器的寬帶大、功率損耗低的優勢，應用GaAs PHEMT工藝制程開發的超大寬帶拓展低噪音放大器具備7個倍頻的運行頻率段，覆蓋了（P～Ka）范圍的波段，最大的噪音系數＜3.15dB，電路總體的功率損耗達到175.15MW，性能相對理想。

4 結論

綜上所述，本文應用0.13μmGaAs PHEMT制程工藝方法，用共源及共柵單元為放大端，開發了（0.85～30.15）GHz分布式LNA，版圖結合仿真模擬符合設計指標，在運行頻率（0.85～30.15）GHz范圍內，增益數值為15.5dB，噪音系數＜3.15dB，模塊的面積是2.85mm2，功率損耗是175.15MW，在確保各類指標達標的前提下，實現7倍頻程。能廣泛投入在衛星、波導通信等行業。