寬帶低噪聲放大器的設(shè)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(yōu)點取得了迅速的發(fā)展以及進步，逐步替代了常規(guī)的混合型集成電路。伴隨著5G移動通信技術(shù)的高速進步，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)中需要同時傳輸音頻、視頻及圖像等大容量的數(shù)據(jù)信息，對超大帶寬的需求持續(xù)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(chǔ)上，拓展低噪音放大器（low noise amplifier，LNA）的帶寬已經(jīng)成為相關(guān)工程技術(shù)人員研究的熱點問題。

現(xiàn)階段，世界各個領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)者針對高寬帶的低噪音放大器實施了一系列深入的科學(xué)研究，拓展低噪音放大器在電路的主體構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸比較大。分布模式（distributed）的結(jié)構(gòu)模式具備頻帶較寬、駐波比較小、電路系統(tǒng)的魯棒性優(yōu)良等優(yōu)點，不過在超大的寬帶區(qū)間之內(nèi)，功耗較大、噪音系數(shù)較高、結(jié)構(gòu)尺寸較大等問題還需進一步改進和優(yōu)化。應(yīng)用CMOS工藝方法規(guī)劃設(shè)計分布模式的拓展低噪音放大器時，介質(zhì)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(qū)間之內(nèi)，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(shè)計試驗過程選取的是臺灣的穩(wěn)懋公司開發(fā)的0.13μm制程的GaAs PHEMT工藝方法，開發(fā)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(shè)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(dǎo)入到輸入以及輸出的微帶線系統(tǒng)之內(nèi)，借助諸多微帶線系統(tǒng)及晶體管組成有損的微帶線系統(tǒng)，如果在微帶線系統(tǒng)的負載和相關(guān)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(tǒng)，此時的數(shù)據(jù)信號為行波的模式在微帶線系統(tǒng)內(nèi)進行傳送。如果在輸入以及輸出的微帶線系統(tǒng)的傳輸相速度保持一致的情況下，輸入的數(shù)據(jù)信號將在晶體管內(nèi)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(yōu)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(tǒng)的特性阻抗數(shù)值，lg與ld分別指的是柵極與漏極微帶線系統(tǒng)的長度數(shù)值。

圖1 n級分布模式放大器裝置簡化模型示意圖

把系統(tǒng)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(tǒng)以及單元漏極線系統(tǒng)的等效電路模型示意圖如圖2所示。在忽略系統(tǒng)損耗的條件下，該電路系統(tǒng)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(shù)值，Cg與Cd分別指的是單元長度柵極與漏極的電容數(shù)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(shù)。在理論情況下，系統(tǒng)增益G與級數(shù)的最理想的數(shù)值Nopt如式（5）和式（6）所示。

根據(jù)式（5）與式（6）可以看出，增益數(shù)值將會伴隨著級數(shù)數(shù)值N的增大而持續(xù)增加，然而放大器裝置的柵極與漏極的微帶線系統(tǒng)會發(fā)生電阻相關(guān)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(shù)數(shù)量無法提升系統(tǒng)的增益，所以電路系統(tǒng)存在著一個最佳的工作級數(shù)數(shù)值。這個最佳級數(shù)數(shù)值Nopt和系統(tǒng)中晶體管的相關(guān)參量值、晶體管的工作頻率及微帶線的特性阻抗數(shù)值存在著相關(guān)性。放大器裝置的相關(guān)指標不但要求增益數(shù)值較高，另外必須照顧到噪音系數(shù)、回波損失、功率損耗、芯片單元的結(jié)構(gòu)尺寸等條件的制約，經(jīng)過全方位的考慮，分布模式放大器裝置應(yīng)用了6級拓撲的結(jié)構(gòu)形式[2]。

2 電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計

通常在26GHz之下的情況，柵寬的數(shù)值越大，噪音系數(shù)也相應(yīng)越大，并且系統(tǒng)中的晶體管的跨導(dǎo)數(shù)值將會相應(yīng)提升，增益數(shù)值隨之增大，不過隨著柵源的電容數(shù)值的增加，晶體管截止頻率數(shù)值降低，柵指的NOF數(shù)值取3，各種柵寬的增益數(shù)值以及NFmin的變化狀態(tài)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(dǎo)數(shù)值較大，不過總體的噪音系數(shù)較大，在晶體管柵寬取值為（2×25）μm時，跨導(dǎo)數(shù)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(fā)的ADS（Advanced De-sign System）相關(guān)程序軟件2018實施靜態(tài)的直流工作節(jié)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(shè)計涉及的多級分布模式放大器裝置，有效地預(yù)防了放大器可能出現(xiàn)的自激勵情況，確保了其處在絕對穩(wěn)定模式下運行。

圖3 各種柵寬的增益數(shù)值以及NFmin的變化狀態(tài)情況對比圖

一般來講，單級的共源構(gòu)造的分布模式放大器裝置的增益數(shù)值是9.5dB左右，如果應(yīng)用共源型共柵（Cascode）的主體構(gòu)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(qū)間將會發(fā)揮負阻抗的效應(yīng)，用來補償由于漏極的微帶線而發(fā)生的能量損失，可以顯著提高高頻區(qū)間的增益數(shù)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(yīng)，降低第1級晶體管單元特有的密勒效應(yīng)。將共源及共柵的主體結(jié)構(gòu)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(xiàn)系統(tǒng)帶寬與增益數(shù)值的增大，因為電感數(shù)值均為PH的數(shù)量級，使用微帶線系統(tǒng)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(lián)上1個去耦形式的電容C，用以調(diào)整系統(tǒng)的高頻部分的增益波動程度，拓展帶寬的區(qū)間，有效去除自激勵情況，確保電路的運行穩(wěn)定性[3]。

3 結(jié)果的驗證及總結(jié)

仿真工作完成之后會進行版圖的規(guī)劃設(shè)計，電路版圖外形尺寸為（2.15×1.25）mm，應(yīng)用ADS程序軟件實施分析并且設(shè)計模型，版圖聯(lián)合仿真結(jié)果如試驗結(jié)果所示，位于運行頻率（0.85～31.5）GHz以內(nèi)時，系統(tǒng)的增益數(shù)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(jié)構(gòu)的整體回波損失滿足相關(guān)要求，噪音系數(shù)達到2.15dB，如果＞30.15GHz的時候，噪音系數(shù)將大幅度增加，增大柵極部分的電容C的數(shù)值，減少此頻段的噪音系數(shù)值，不過相關(guān)的增益將會出現(xiàn)尖峰，選取1個合適的電容數(shù)值，在15.5GHz的時候，1.5dB壓縮節(jié)點的輸出功率＞10.5dBm，線性程度優(yōu)良。為了實現(xiàn)拓展低噪音放大器的寬帶大、功率損耗低的優(yōu)勢，應(yīng)用GaAs PHEMT工藝制程開發(fā)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(shù)＜3.15dB，電路總體的功率損耗達到175.15MW，性能相對理想。

4 結(jié)論

綜上所述，本文應(yīng)用0.13μmGaAs PHEMT制程工藝方法，用共源及共柵單元為放大端，開發(fā)了（0.85～30.15）GHz分布式LNA，版圖結(jié)合仿真模擬符合設(shè)計指標，在運行頻率（0.85～30.15）GHz范圍內(nèi)，增益數(shù)值為15.5dB，噪音系數(shù)＜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(xiàn)7倍頻程。能廣泛投入在衛(wèi)星、波導(dǎo)通信等行業(yè)。