宽带低噪声放大器的设计

叶波涛

（中国船舶重工集团公司第八研究院，江苏 扬州225001）

最近一段时期以来，单片微波式集成电路（monolithic microwave inte-grated circuit，MMIC） 由于其体积小巧、集成程度高、可靠性好等优点取得了迅速的发展以及进步，逐步替代了常规的混合型集成电路。伴随着5G移动通信技术的高速进步，相关网络中需要同时传输音频、视频及图像等大容量的数据信息，对超大带宽的需求持续提升[1]，为此在确保放大器噪音较低、功耗较低、增益较高、尺寸较小等条件的基础上，拓展低噪音放大器（low noise amplifier，LNA）的带宽已经成为相关工程技术人员研究的热点问题。

现阶段，世界各个领域的相关学者针对高宽带的低噪音放大器实施了一系列深入的科学研究，拓展低噪音放大器在电路的主体构造上可以分成反馈模式、分布模式、平衡模式等等，反馈模式以及平衡模式的拓展低噪音放大器的带宽相对来讲比较狭窄，而平衡式拓展低噪音放大器的整体结构尺寸比较大。分布模式（distributed）的结构模式具备频带较宽、驻波比较小、电路系统的鲁棒性优良等优点，不过在超大的宽带区间之内，功耗较大、噪音系数较高、结构尺寸较大等问题还需进一步改进和优化。应用CMOS工艺方法规划设计分布模式的拓展低噪音放大器时，介质的损耗程度将会伴随着频率的增加而渐渐恶化，在超大的宽带区间之内，无法同时达到较高的功率以及较低的噪音效果。GaAs单元的元器件载流子的迁移比率以及衬底的电阻率相对较大，因此具备了增益较高、噪音较低等的功能和效果，为此本文的设计试验过程选取的是台湾的稳懋公司开发的0.13μm制程的GaAs PHEMT工艺方法，开发出一类功耗较低、噪音较低、7倍频程的分布模式的低噪音放大器设备。

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将输入及输出的电感、电容单元分别导入到输入以及输出的微带线系统之内，借助诸多微带线系统及晶体管组成有损的微带线系统，如果在微带线系统的负载和相关的特征阻抗达到可以互相匹配的情况下，可以视作没有频率限制的有损分布平均的微带线系统，此时的数据信号为行波的模式在微带线系统内进行传送。如果在输入以及输出的微带线系统的传输相速度保持一致的情况下，输入的数据信号将在晶体管内部得到放大的效果，在比较理想的情况之下，组成没有特定频率约束限制的分布模式放大器装置，因此分布模式的放大器装置具备频带较宽以及驻波比相对较小等优点，其中n级的分布模式放大器装置的简化模型示意图如图1所示，其中的Zg与Zd分别指的是栅极与漏极的微带线系统的特性阻抗数值，lg与ld分别指的是栅极与漏极微带线系统的长度数值。

图1 n级分布模式放大器装置简化模型示意图

把系统的电路拆分成为栅极传输线及漏极传输线分别实施研究，单元栅极线系统以及单元漏极线系统的等效电路模型示意图如图2所示。在忽略系统损耗的条件下，该电路系统的栅极线以及漏极线的特性阻抗的表达式如式（1）和式（2）所示。

图2 单元等效电路模型示意图

式中的Lg与Ld分别指的是单元的长度栅极与漏极的电感数值，Cg与Cd分别指的是单元长度栅极与漏极的电容数值，αg和αd分别指的是栅极部分以及漏极部分的衰减程度的系数。在理论情况下，系统增益G与级数的最理想的数值Nopt如式（5）和式（6）所示。

根据式（5）与式（6）可以看出，增益数值将会伴随着级数数值N的增大而持续增加，然而放大器装置的栅极与漏极的微带线系统会发生电阻相关的能量消耗，随着输入电信号微带线离输入信号端的距离越远，得到的电信号将会越弱，如果持加大晶体管的单元级数数量无法提升系统的增益，所以电路系统存在着一个最佳的工作级数数值。这个最佳级数数值Nopt和系统中晶体管的相关参量值、晶体管的工作频率及微带线的特性阻抗数值存在着相关性。放大器装置的相关指标不但要求增益数值较高，另外必须照顾到噪音系数、回波损失、功率损耗、芯片单元的结构尺寸等条件的制约，经过全方位的考虑，分布模式放大器装置应用了6级拓扑的结构形式[2]。

2 电路结构的设计

通常在26GHz之下的情况，栅宽的数值越大，噪音系数也相应越大，并且系统中的晶体管的跨导数值将会相应提升，增益数值随之增大，不过随着栅源的电容数值的增加，晶体管截止频率数值降低，栅指的NOF数值取3，各种栅宽的增益数值以及NFmin的变化状态情况如图3所示。在晶体管单元的栅宽取值为（2×100）μm时，跨导数值较大，不过总体的噪音系数较大，在晶体管栅宽取值为（2×25）μm时，跨导数值较小，提升漏极的电压增益和晶体管的功率损耗，全方位综合对比分析之后，选取3个（2×55）μm制程的晶体管单元，采用Agilent公司开发的ADS（Advanced De-sign System）相关程序软件2018实施静态的直流工作节点仿真模拟分析，最后确定Vg1=-0.25V，Vg2=1.5V，Vd=2.55V，电流的消耗量为71.5mA。本设计涉及的多级分布模式放大器装置，有效地预防了放大器可能出现的自激励情况，确保了其处在绝对稳定模式下运行。

图3 各种栅宽的增益数值以及NFmin的变化状态情况对比图

一般来讲，单级的共源构造的分布模式放大器装置的增益数值是9.5dB左右，如果应用共源型共栅（Cascode）的主体构造进行拓展低噪音放大器的放大级的高增益效果，共栅级的晶体管单元位于频率较高的区间将会发挥负阻抗的效应，用来补偿由于漏极的微带线而发生的能量损失，可以显著提高高频区间的增益数值，降低增益图形的平坦程度，拓展带宽范围，去除第2级晶体管单元特有的密勒效应，降低第1级晶体管单元特有的密勒效应。将共源及共栅的主体结构使用在分布模式的拓展低噪音放大器中，在加大比较小芯片面积的前提之下，较大地提升了拓展低噪音放大器的各项性能指标，Cascode分布模式放大器装置的简化电路如图4所示。

图4 Cascode分布模式放大器装置的简化电路图

在共源的晶体管单元的源极增加小型电感装置L1、2个晶体管单元之间的电感L2及输出的峰值电感L3可以实现系统带宽与增益数值的增大，因为电感数值均为PH的数量级，使用微带线系统替代电感单元用来压缩芯片的总体空间体积。共栅的晶体管单元在栅极位置并联上1个去耦形式的电容C，用以调整系统的高频部分的增益波动程度，拓展带宽的区间，有效去除自激励情况，确保电路的运行稳定性[3]。

3 结果的验证及总结

仿真工作完成之后会进行版图的规划设计，电路版图外形尺寸为（2.15×1.25）mm，应用ADS程序软件实施分析并且设计模型，版图联合仿真结果如试验结果所示，位于运行频率（0.85～31.5）GHz以内时，系统的增益数值为（15.5±1）dB，平坦程度比较小，输入以及输出的回波损失均＜-10.5dB，电路结构的整体回波损失满足相关要求，噪音系数达到2.15dB，如果＞30.15GHz的时候，噪音系数将大幅度增加，增大栅极部分的电容C的数值，减少此频段的噪音系数值，不过相关的增益将会出现尖峰，选取1个合适的电容数值，在15.5GHz的时候，1.5dB压缩节点的输出功率＞10.5dBm，线性程度优良。为了实现拓展低噪音放大器的宽带大、功率损耗低的优势，应用GaAs PHEMT工艺制程开发的超大宽带拓展低噪音放大器具备7个倍频的运行频率段，覆盖了（P～Ka）范围的波段，最大的噪音系数＜3.15dB，电路总体的功率损耗达到175.15MW，性能相对理想。

4 结论

综上所述，本文应用0.13μmGaAs PHEMT制程工艺方法，用共源及共栅单元为放大端，开发了（0.85～30.15）GHz分布式LNA，版图结合仿真模拟符合设计指标，在运行频率（0.85～30.15）GHz范围内，增益数值为15.5dB，噪音系数＜3.15dB，模块的面积是2.85mm2，功率损耗是175.15MW，在确保各类指标达标的前提下，实现7倍频程。能广泛投入在卫星、波导通信等行业。