2～6GHz高諧波抑制低噪聲放大器芯片研究與設(shè)計

薛源，吳浩洋

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

近幾十年來，隨著通信系統(tǒng)變得日益復(fù)雜，對高性能單片微波集成電路的需求也日益增長。低噪聲放大器廣泛應(yīng)用于手機、基站和衛(wèi)星通信中，其主要指標(biāo)包括小信號增益和噪聲系數(shù)。隨著系統(tǒng)在多功能集成方面的迅猛發(fā)展，單個系統(tǒng)集成多個頻段的器件和子系統(tǒng)成為重要的發(fā)展方向，如何規(guī)避不同頻段器件之間的干擾是當(dāng)前射頻系統(tǒng)領(lǐng)域里亟待研究的重要課題。具體對于低噪聲放大器芯片而言，如何降低二次諧波能量就成了一個重要的研究和設(shè)計方向，表現(xiàn)在具體指標(biāo)上，就是提高二次諧波抑制比。通常而言，對于寬帶低噪聲放大器，二次諧波抑制比極其有限，約為10 ～15 dBc，難以滿足通信系統(tǒng)的典型要求(35 ～40 dBc)。

本文創(chuàng)造性地提出了一種新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠在有限地犧牲噪聲系數(shù)指標(biāo)的前提下，大幅度提升二次諧波抑制比。該新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由輸入巴倫、兩個相同的低噪聲放大器和輸出巴倫構(gòu)成，如圖1所示。輸入信號進(jìn)入芯片后，經(jīng)由輸入巴倫，信號一分為二，且相位相差180°，然后各自通過一個相同的低噪聲放大器放大，同時放大器產(chǎn)生二次諧波分量，此后再經(jīng)由一個輸出巴倫進(jìn)行主頻信號的合成，同時抵消兩個放大器產(chǎn)生的二次諧波分量，實現(xiàn)二次諧波的零輸出。實際應(yīng)用中，由于巴倫結(jié)構(gòu)無法做到完美的相位相差180°，因此難以實現(xiàn)二次諧波的完全消失，但是由矢量合成原理可知，輸出端的二次諧波分量會有明顯的降低。

圖1 高諧波抑制低噪聲放大器電路拓?fù)?/p>

基于此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用GaAs pHEMT 單片工藝，本文設(shè)計并流片了一款2～6 GHz 低噪聲放大器，測試表明，噪聲系數(shù)較低，二次諧波抑制能力得到較大幅度地提升，滿足通信系統(tǒng)的要求，驗證了高諧波抑制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性。本文首先對2～6 GHz寬帶低噪聲放大器的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)的論述，其次介紹巴倫結(jié)構(gòu)的理論和設(shè)計方法，最后描述由巴倫合成的低噪聲放大器的各個指標(biāo)和性能，特別是與單個低噪聲放大器的性能對比。

1 寬帶低噪聲放大器的設(shè)計

對于低噪聲放大器MMIC 芯片設(shè)計，首先應(yīng)該對單個HEMT 器件進(jìn)行仿真，以確定器件的最優(yōu)尺寸。本次設(shè)計采用三級放大以滿足增益要求。對器件進(jìn)行仿真，第一級器件的尺寸為4×33 μm 時，噪聲系數(shù)最優(yōu)。第二、三級器件尺寸的選擇主要考慮增益和線性，通過單管的仿真對比分析，器件尺寸4×27 μm 和4×30 μm 能滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。在每級管子尺寸確定之后，結(jié)合直流仿真和噪聲系數(shù)的仿真，確定偏置電壓和電流。電路使用單電源自偏置結(jié)構(gòu)，可以通過調(diào)整源極自偏電阻的大小來優(yōu)化偏置電壓，以期達(dá)到最優(yōu)噪聲系數(shù)的最佳線性特性。

在低噪聲放大器設(shè)計中，三級放大電路總的噪聲系數(shù)NF 由式（1）決定，其中NF、NF和NF分別是第一級管子、第二級管子和第三級管子的噪聲系數(shù)，,是第一級和第二級放大的增益。根據(jù)該公式，在輸入匹配電路設(shè)計中，任何無源元件，包括電阻，電容和傳輸線，均會直接惡化整個電路的噪聲系數(shù)。除此之外，低噪聲放大器輸入匹配設(shè)計的根本原則在于用最少的無源元件將HEMT 器件的最佳噪聲阻抗共軛匹配至50 歐姆。4×33 μm 器件的噪聲系數(shù)圓如圖2所示。

圖2 器件4×33 μm 的噪聲系數(shù)圓

為了保證低噪聲放大器的絕對穩(wěn)定，根據(jù)公式（2）、公式（3）和公式（4），首先對第一級的HEMT 器件單獨進(jìn)行穩(wěn)定性分析和評估。單管穩(wěn)定性仿真分析如圖3所示，可見從350 MHz 至58 GHz 頻率范圍內(nèi)，器件存在條件不穩(wěn)定。

圖3 器件4×33 μm 的穩(wěn)定性仿真

采用源極簡并電感技術(shù)可以有效提高電路的穩(wěn)定性，并且能有助于將器件的輸入阻抗匹配至50 歐姆。原理圖如圖4所示，設(shè)計中，簡并電感L連接HEMT 器件的源極和RC偏置電路，從而將器件的輸入阻抗提高，減小了輸入阻抗與50 歐姆的差距，使得輸入匹配電路的設(shè)計更為簡單。此外，L的存在構(gòu)成了器件從輸出到輸入的負(fù)反饋，大大提高電路的穩(wěn)定性，同時有利于提高電路的線性度。然而，源極簡并電感帶來這些優(yōu)點的同時，也帶來了缺點，其中最主要的是增益的降低。根據(jù)有效跨導(dǎo)系數(shù)的表達(dá)式（式（5）），源極電感會引起有效跨導(dǎo)的降低，從而導(dǎo)致電路增益的降低。

圖4 源極簡并電感提高穩(wěn)定性原理圖

因此簡開源極電感大小的選擇需要折中設(shè)計考慮，反復(fù)迭代設(shè)計，選擇最優(yōu)值。

其中，g為器件本征跨導(dǎo)，L為源極簡并電感，C為柵極到源極的等效電容。

低噪聲放大器的工作頻段要求是2～6 GHz，相對帶寬達(dá)到100%，級間匹配需要采用特殊的寬帶匹配設(shè)計，典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為RC 串聯(lián)負(fù)反饋，如圖5所示，即將有源器件的漏極端用RC 串聯(lián)電路與有源器件的柵極端相連，構(gòu)成帶阻性的負(fù)反饋。根據(jù)增益帶寬乘積為一定值的規(guī)律，阻性負(fù)反饋降低了器件的增益，但是卻拓寬了其工作帶寬，同時還能有效改善穩(wěn)定性，將潛在的自激振蕩信號衰減為零或是打破信號的正向反饋鏈路，避免不穩(wěn)定現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖5 RC 串聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)

低噪聲放大器的原理圖使用兩級放大拓?fù)?，采用源極簡并電感技術(shù)和RC 串聯(lián)負(fù)反饋技術(shù)，帶寬達(dá)到2～6 GHz，版圖電磁仿真結(jié)果顯示，噪聲系數(shù)約為4.1 dB，增益28.5 dB，值得注意的是，在壓縮1 dB 附近，該單獨低噪聲放大器的二次諧波抑制比僅為20 dBc。與系統(tǒng)的指標(biāo)要求（35 dBc）相差甚遠(yuǎn)，因此，針對高諧波抑制比的要求，需要做特殊的設(shè)計考慮。采用巴倫合成式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有助于抵消二次諧波分量。

2 寬帶巴倫的設(shè)計

巴倫是用于單端信號轉(zhuǎn)差分信號，或者是實現(xiàn)差分信號合成為單端信號的無源元件。常用于倍頻器、平衡式混頻器以及偶極子天線中。實現(xiàn)巴倫的方式和結(jié)構(gòu)有很多種，其中最廣泛使用的結(jié)構(gòu)形式就是Marchand 巴倫。Marchand 巴倫由兩個四分之一波長耦合線構(gòu)成，如圖6所示。具有插入損耗低，工作頻帶寬等優(yōu)點。

圖6 Marchand 巴倫結(jié)構(gòu)示意圖

將兩個相同的低噪放通過巴倫結(jié)構(gòu)合成，能使得每個低噪放產(chǎn)生的二次諧波分量相抵消。輸入信號進(jìn)入芯片后，經(jīng)由輸入巴倫，信號一分為二，且相位相差180°，然后各自通過一個相同的低噪聲放大器放大，同時放大器產(chǎn)生二次諧波分量，此后再經(jīng)由一個輸出巴倫進(jìn)行主頻信號的合成，同時抵消兩個放大器產(chǎn)生的二次諧波分量，實現(xiàn)二次諧波的零輸出。

然而分布式的Marchand 巴倫尺寸較大，難以在常規(guī)芯片尺寸上實現(xiàn)，因此本文的設(shè)計中，采用集總元件構(gòu)成Marchand 巴倫，優(yōu)點是尺寸小，方便集成，缺點是插損較大，平衡性較差，其最終實現(xiàn)的版圖結(jié)構(gòu)如圖7所示。單獨集總式巴倫的仿真結(jié)果如圖8所示，單路插損在-5 dB 左右，幅度之差在1 dB 以內(nèi)，相位之差在180°附近。

圖7 集總式Marchand 巴倫版圖結(jié)構(gòu)

圖8 單獨巴倫仿真結(jié)果

3 高諧波抑制比低噪放測試結(jié)果

本文設(shè)計的寬帶低噪聲放大器采用砷化鎵pHEMT 單片工藝制備，并通過探針臺在片測試了芯片的增益、二次諧波抑制比、噪聲和壓縮1 dB 輸出功率等性能指標(biāo)。

如圖9所示，增益決定了放大器對信號的放大能力，對于低噪聲放大器，線性增益的平坦度也非常關(guān)鍵。本文設(shè)計的高諧波抑制比低噪放達(dá)到了27 dB 的線性增益，且在3～6 GHz 帶寬內(nèi)增益波動小于1 dB。根據(jù)公式（1），增益越大，越有利于放大器噪聲的降低。因為巴倫結(jié)構(gòu)引入了較大的插損，所以該高諧波抑制比低噪放的增益與單獨低噪放相比較低。

圖9 放大器線性增益測試結(jié)果

本文設(shè)計的高諧波抑制比低噪放的二次諧波抑制比測試結(jié)果如圖10 所示。該放大器在2～6 GHz 的寬帶內(nèi)，實現(xiàn)了超過35 dBc 的二次諧波抑制比。單低噪放的二次諧波抑制比為22 dBc，與之相比，使用本文提出的巴倫合成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計出的單片低噪放芯片，對二次諧波的抑制效果提升明顯，達(dá)到了通信系統(tǒng)的典型要求(35～40 dBc)。由于實際設(shè)計的巴倫無法實現(xiàn)完美180°的相位差，實際芯片依然存在二次諧波分量。理論上，通過對設(shè)計和工藝的優(yōu)化，使巴倫的差分相位差更加接近180°，即可進(jìn)一步提高使用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)放大器芯片二次諧波抑制比。

圖10 放大器二次諧波抑制比測試結(jié)果

本文設(shè)計的高諧波抑制比低噪放芯片噪聲系數(shù)為5.5 dB，測試結(jié)果如圖11 所示。與單低噪放相比，噪聲系數(shù)有明顯增加。這是因為輸入巴倫和相應(yīng)的匹配網(wǎng)絡(luò)，增加了輸入匹配網(wǎng)絡(luò)中的無源元件，惡化了放大器第一級的噪聲系數(shù)。而根據(jù)公式（1）可知，第一級的噪聲對整個放大器的噪聲系數(shù)影響很大，所以在輸入端引入巴倫結(jié)構(gòu)，增加了整個低噪放芯片的噪聲系數(shù)。

圖11 放大器噪聲系數(shù)測試結(jié)果

本文設(shè)計的高諧波抑制比低噪放芯片為7 dBm，測試結(jié)果如圖12 所示。壓縮1dB 輸出功率越大，放大器就能對更大的輸入信號進(jìn)行線性放大。當(dāng)輸入信號過大時，經(jīng)過放大器的輸出信號超過，輸出信號會由于壓縮而失真。

圖12 放大器壓縮1 dB 輸出功率測試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文針對通信系統(tǒng)應(yīng)用，提出了一種采用巴倫合成拓?fù)涮岣叨沃C波抑制比的方法，利用該方法，設(shè)計并流片了一款頻率范圍為2～6 GHz 的高諧波抑制比低噪放芯片。該芯片在整個頻段內(nèi)的增益典型值為25 dB，噪聲系數(shù)5.5 dB，輸出壓縮1 dB 功率為7 dBm，二次諧波抑制比達(dá)到35 dBc。與常規(guī)寬帶低噪聲放大器芯片相比，二次諧波抑制比提升非常明顯。