基于GaAs工艺超宽带低噪声放大器设计

黄国皓, 黄玉兰, 杨小峰

(西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安710121)

0 引 言

近年来,单片微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit,MMIC)依靠小体积、易集成、高可靠性等优势得到迅速发展,逐渐代替了传统混合集成电路。随着移动5 G通信的快速发展,需要同时传输语音、视频和图像等信息,对超宽带的要求不断提高,因此在保证放大器低噪声、低功耗、高增益、小尺寸等性能前提下,扩展低噪声放大器(low noise amplifier,LNA)带宽成为研究热点。

目前,业界学者对宽带低噪声放大器进行了一系列研究,LNA在电路结构上分为反馈式[1～4]、平衡式、分布式[6～8]等,反馈式、平衡式LNA带宽相对较窄,且平衡式LNA尺寸较大。分布式(distributed)结构具有宽频带、驻波比小、电路的鲁棒性较好等优势,但在超宽带范围内,功耗大、噪声系数高、尺寸大等性能仍需改善。

使用CMOS工艺设计分布式LNA时,介质损耗随着频率升高逐渐恶化,在超宽带范围内,很难同时实现高输出功率和低噪声性能。GaAs器件载流子迁移率和衬底电阻率较高,具有高增益、低噪声等性能,因此本设计选用台湾稳懋公司0.15 μm GaAs pHEMT工艺,研制了一种低功耗、低噪声、6倍频程分布式低噪声放大器。

1 分布式放大器原理

放大器基本原理是把输入和输出电感、电容各自引入到输入输出微带线中,通过多个微带线和晶体管形成有损微带线,当微带线负载与其特性阻抗相匹配时,等同于无频率限制有损均匀微带线,信号以行波模式在微带线上传输。当输入、输出微带线传播相速相同时,输入信号在晶体管中放大,理想状态下,构成无频率约束的分布式放大器,所以分布式放大器具有宽频带和驻波比小等优势,n级分布式放大器简化模型如图1所示,Zg和Zd分别是栅极和漏极微带线的特征阻抗,lg和ld分别是栅极和漏极微带线长度。

图1 n级分布式放大器简化模型

将电路拆分成栅极传输线和漏极传输线分别进行分析,单位元栅极线和单位元漏极线等效模型如图2所示。忽略损耗,其栅极线和漏极线的特征阻抗如式(1)和式(2)所示。

图2 单位元等效模型

(1)

(2)

(3)

αd=Zd/2Rdsld

(4)

式中Lg和Ld分别为单位元长度栅极和漏极的电感,Cg和Cd分别为单位元长度栅极和漏极的电容,αg和αd分别为栅极和漏极衰减常数。理想状态下,增益G和级数最佳值Nopt为

G=N2g2mZgZd/4

(5)

(6)

由式(5)和式(6)可知,增益随着级数N增加不断增大,但放大器栅极和漏极微带线存在电阻损耗,输入信号随着微带线距离输入端越远信号越弱,继续增加晶体管单元级数不能提高增益,因此电路有一个最佳工作级数。最佳级数Nopt与晶体管参量、工作频率以及微带线特征阻抗有关。放大器的指标不仅需要高增益,还需要兼顾噪声系数、回波损耗、功耗、芯片尺寸等方面,综合考虑,分布式放大器采用5级拓扑结构。

2 电路设计

25 GHz以下,栅宽越大,噪声系数越高,且晶体管的跨导提高,增益增加,但栅源电容值越大,晶体管的截止频率较低,栅指NOF为2,不同栅宽在增益和NFmin的变化情况如图3所示。当晶体管栅宽为2 μm×100 μm,跨导较大,但整体噪声系数大,晶体管栅宽为2 μm×25 μm,跨导较小,提高漏极电压增加晶体管功耗,综合考虑,选择2个2 μm×55 μm的晶体管,使用Agilent公司ADS(Advanced Design System)软件2016进行静态直流工作点分析,确定Vg1=-0.2 V,Vg2=1.0 V,Vd=2.5 V,电流消耗71.7 mA。设计多级分布式放大器,防止放大器产生自激现象,保证其处于绝对稳定状态。

图3 不同栅宽增益和NFmin对比

通常单级共源结构分布式放大器增益为9 dB,采用共源共栅(cascode)结构作为LNA放大级实现高增益,共栅级晶体管在高频部分具有负阻作用,补偿漏极微带线损耗,提升高频部分增益,减小增益平坦度,扩展带宽,消除第二级晶体管密勒效应,减小第一级晶体管密勒效应。把共源共栅结构应用在分布式LNA中,增加较小芯片面积情况下,极大地改善了LNA的性能,cascode分布式放大器简化电路如图4所示。

图4 Cascode分布式放大器简化电路

在共源晶体管的源极添加小电感L1、两晶体管间电感L2和输出峰值电感L3增加带宽和增益,由于电感值都是pH量级,用微带线代替电感(微带线线宽由工艺和特性阻抗Z0=70 Ω共同决定)减小芯片体积。共栅晶体管的栅极并联一个去耦电容C,调节高频端的增益起伏度,扩展带宽范围,同时稳定电源减小高频端噪声,消除自激现象,使电路稳定工作,不同电容对高频端增益的影响如图5所示。

图5 不同电容对高频端增益的影响

3 验证结果与分析

原理图仿真完成后进行版图设计,电路版图如图6所示,尺寸为2.18 mm×1.24 mm,使用ADS软件进行矩量法分析并生成模型,版图联合仿真结果如图7,图8,图9所示,在工作频率0.9～30 GHz内,增益为15±1 dB,平坦度较小,输入和输出回波损耗都小于-10 dB,整体电路回波损耗较好,典型噪声系数为2.5 dB,当超过30 GHz时,噪声系数急剧升高,增加栅极端去耦电容C容值,降低该频段噪声系数,但增益会出现尖峰,因此需要选择一个合适的电容值,如图5所示,在14.6 GHz时,1 dB压缩点输出功率大于10 dBm,线性度良好。

图6 分布式LNA电路版图

图7 S参数仿真结果

图8 噪声系数nf(2)

图9 1 dB压缩点输出功率(14.6 GHz)

为突出LNA的超宽带、低功耗的特点,将本文与文献[4～8]进行对比,上述文献均是使用 GaAs pHEMT工艺设计超宽带LNA,文献和文献分别采用反馈式和平衡式拓扑技术,文献[6～8]均采用分布式基本原理,比较其带宽、增益、噪声系数、尺寸、功耗等参数,对比情况如表1所示。通过与文献[4～8]比较得知,本文研制的LNA具有6个倍频程工作频段,涵盖P～Ka波段,最大噪声系数小于3.5 dB,电路功耗仅为179.25 mW,总体性能表现优异。

表1 与近年来发表的分布式放大器对比

4 结 论

本文使用0.15 μm GaAs pHEMT工艺,以共源共栅结构作为放大级,研制了0.9～30 GHz分布式LNA,版图联合仿真达到预期指标,在工作频率0.9～30 GHz以内,增益达到15 dB,噪声系数小于3.5 dB,尺寸为2.7mm2,功耗仅为179.25mW,在保证各指标优异前提下,实现扩展带宽目标,达到6倍频程。该波段包含所有的厘米波(SHF),可广泛应用于数字、卫星、波导通信等领域。