0.8～18 GHz放大衰减多功能芯片

刘莹 廖学介 邬海峰 王测天 滑育楠

摘  要：文章介绍了基于GaAs 0.15 μm pHEMT工艺的0.8～18 GHz放大衰减多功能芯片的设计，给出了在片测试结果。该芯片集成了共源共栅行波放大单元、三位数控衰减单元和三位并行驱动单元，在0.8～18 GHz的超宽带频率范围内，噪声系数典型值≤4.5 dB，增益≥11 dB，且具有3 dB的正斜率，P-1大于13 dBm，输入输出驻波≤1.8，3 bit数控衰减单元2/4/8 dB，衰减精度≤0.5 dB。其中放大器采用单电源+3.3 V供电，工作电流小于60 mA，TTL驱动电路采用-5 V供电，工作电流小于3 mA。芯片尺寸为：2.6 mm×2.8 mm×0.1 mm。

关键词：pHEMT；0.8～18 GHz；放大衰减多功能芯片

中图分类号：TN72 文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）02-0053-04

GHz Amplification and Attenuation Multi-Function Chip

LIU Ying， LIAO Xuejie， WU Haifeng， WANG Cetian， HUA Yunan

（Chengdu Ganide Technology Co.， Ltd.， Chengdu  610220， China）

Abstract： In this paper， the design of 0.8～18 GHz amplification and attenuation multi-function chip based on GaAs 0.15 μm pHEMT process is introduced， and on wafer test results are presented. The chip integrates Cascade traveling wave amplifier， 3-bit digital attenuator and the TTL drive circuit. In the 0.8～18 GHz ultra wideband frequency range， the typical values of noise coefficient is less than and equal to 4.5 dB， a gain is more than and equal to 11 dB， and it has 3 dB Positive Slope， the P-1 is more than 13 dBm， the input and output of VSWR are less than and equal to 1.8， the 3-bit digital attenuator 2/4/8 dB， the battenuation accuracy is less than and equal to 0.5 dB. The amplifier uses the single +3.3 V power supply， and the working current is less than 60 mA. The TTL drive circuit uses the -5 V power supply， and the working current is less than 3 mA. The chip size is 2.6 mm×2.8 mm ×0.1 mm.

Keywords： pHEMT; 0.8～18 GHz; amplification and attenuation multi-function chip

0  引  言

隨着现代电子技术和信息技术的快速发展，各种电子系统对于芯片类核心元器件的性能要求越来越高，特别是在电子对抗领域，超宽带芯片的应用越来越广泛。在电子对抗设备的侦察、干扰，各类宽频雷达探测，仪器仪表，多功能通信、制导等方面，微波单片集成电路MMIC作为系统的核心元器件发挥着非常重要的作用，而多功能芯片的开发使得MMIC集成度高、体积小、生产一致性好、批量生产成本低等优势发挥得更加充分，大大提高了电子设备的性能。

多功能芯片的设计一般是利用Ⅲ-Ⅴ族化合物工艺或者硅基工艺来实现，两者各有优劣，Ⅲ-Ⅴ族化合物工艺射频性能较好，能获得更低的噪声系数以及高功率容量；而硅基工艺集成度高，成本低，而且随着制程的持续发展，特征频率在不断提高，被越来越多地用于射频微波集成电路中。GaAs工艺是Ⅲ-Ⅴ族半导体工艺中常用的一种工艺，也是当前最重要，技术成熟度最高的化合物半导体材料之一，相对于硅基工艺，GaAs电子迁移率高，禁带宽度大，射频性能好。为了实现0.8～18 GHz超宽带工作频带内的低噪声放大和高精度的幅度控制，该芯片选择基于GaAs 0.15 μm pHEMT工艺来设计。基于GaAs pHEMT工艺制作的MMIC由于具有优异的射频性能和制造工艺成熟等优点，被广泛应用于宽带射频系统中。对于射频收发系统，通常需要对放大链路的增益进行控制，通过放大衰减多功能芯片可以实现高集成度、低成本、高性能的优势。

本文介绍的基于GaAs pHEMT工艺设计的0.8～18 GHz放大衰减多功能芯片不仅在超宽带频带内具有较高的增益、输出功率和衰减精度，而且还具有正斜率的增益特性和较低功耗特性，具有很好的实际应用性能。

1  放大衰减多功能芯片的设计

1.1  电路结构及器件的选择

超宽带放大器芯片的频率范围可以从1个倍频程到几个倍频程，甚至DC-60 GHz或更高。常用的超宽带放大器电路结构有：平衡结构、电流复用加反馈结构、共源共栅结构、行波结构等。平衡式放大器电路结构上大多采用Lange耦合器或balun等三端口器件将两路相同的放大器合成为一路输出，其频率带宽受限于耦合器的带宽。而反馈式放大器通常是在电路中加入负反馈电路来弥补晶体管自身增益随频率增加而下降的趋势，从而扩宽放大器的带宽，其缺点是引入的负反馈电路会带来对电路增益、噪声、功率等指标的损失。由于平衡式放大器和反馈式放大器只能实现有限的频率扩宽效果。行波放大器是一种常见的超宽带放大器结构，对比其他结构的宽带放大器来说，有着更好的增益平坦度和驻波，而且电路紧凑占用芯片面积较小。行波放大器的结构特点是将晶体管栅极和漏级的寄生电容用作传输线匹配电路的一部分，再加上传输线的等效电感共同构成了分布式的微带传输线结构来扩宽带宽，并通过多个单元电路的增益及功率叠加效应来提高整体电路的增益和输出功率值。共源共栅结构是是在共源管上堆叠了一个共栅管，共栅管提供的低负载阻抗使得下方的共源级产生的增益不会很大，这就降低了密勒电容的影响，提高了放大器的反向隔离性，同时共源共栅结构提供较高的输出阻抗和电压增益。

本设计需要在0.8～18 GHz超宽带频带内实现较高的增益和中等的输出功率，且满足较低功耗的要求，单个行波结构难以实现，因此放大单元采用改进的6级行波放大结合共源共栅结构，将每个行波放大单元采用共源共栅结构实现，能获得更高的增益特性，同时结合RC均衡单元，获得正斜率的增益特性。

衰减器是许多RF通信，雷达和测量系统的关键组成部分之一。衰减器的主要功能是为各种目的提供幅度控制。对于相控阵应用，衰减器应提供对天线辐射方向图旁瓣的精确控制。为了实现宽带大规模相控阵系统，衰减器相对于可变增益放大器（VGA）更为合适.。衰减器主要工作在参考态和衰减态，在不同的工作状态下，注重的性能指标也有所不同，主要有插入损耗、驻波比、衰减精度、附加相移和衰减动态范围等。常用的衰减器电路结构有：T型结构、π型结构和开关切换型结构等。为了实现更好的电路性能，在设计不同衰减量的数控衰减器时电路拓扑也有所区别，通常来说T型衰减结构用于小衰减量的衰减器设计，π型衰减结构用于大衰减量的衰减器设计，而开关切换型衰减结构用于对附加相移要求较高的大衰减位，插损相对较大。本设计要在0.8～18 GHz超宽带频带内实现2 dB/4 dB/8 dB三位数控高精度衰减，同时获得较小的插入损耗和驻波指标，附加相移无指标要求，因此衰减单元采用π型衰减结构。

由于该芯片设计指标对输出P1dB功率和功耗的要求较高，而对于噪声系数指标而言，单个行波放大器的噪声系数还有一定余量，经过链路指标核算，将3bit数控衰减单元放在靠近射频输入端口行波放大单元的前端。

1.2  放大单元和衰减单元的设计

根据多功能芯片的整体指标要求，设计初期需要对各个单元电路进行合理地指标分配和尺寸预估，然后开展单元电路的设计，最后进行级联仿真优化。对于放大单元的设计，首先对所用有源放大管进行直流分析，获得晶体管的直流工作点。根据器件实际使用中的工作状态，对电路进行小信号S参数、噪声和功率特性的分析。为了在超宽带范围内获得较低噪声、较高增益和功率特性，放大电路中采用6级行波放大结合共源共栅结构，其电路结构如图1所示。Vdd馈电部分如图2所示，采用L1和L2两个扼流电感串联，并将扼流电感L2和小电阻R1并联已消除电感引入的带内谐振点的结构来拓展低频带宽；同时电源端口采用并联C1到地和串联R2、C2到地电路实现对电源低频和高频自激不稳定信号进行抑制。根据FOUNDRY厂家提供的器件参数，经过分析比较，共源共栅放大单元的两级均采用4×25 μm栅宽的晶体管；根据增益和功率的指标要求，行波放大单元采用六级；同时放大单元输出端增加了RC结构均衡单元对增益进行正斜率均衡，更加有利于芯片在系统中的应用。

为兼顾良好的射频性能和版图尺寸，对于不同 衰减量的单元电路，采用了不同的电路拓扑进行设计。对于衰减单元的设计，通过分析开关管的通断特性，为了兼顾插损和衰减精度，衰减单元串联管采用4×50 μm栅宽的开关管，并联管采用2×10 μm栅宽的开关管。2 dB和4 dB衰减单元均采用一级π型衰减结构实现，8 dB衰减单元则采用两个4 dB单元级联来实现，以获得2～14 dB衰减范围内良好的衰减精度和驻波特性。此外，芯片内部集成了三位并行驱动单元，如图3所示，可实现通过外部TTL控制电平对各衰减状态的切换。并行驱动电路将外部0 V/5 V的TTL信号转换成0 V/-5 V的互补信号，驱动数控衰减器。输入端采用LEF逻辑管作为二极管进行电平转换。逻辑运算电路和输出驱动电路则由LEF逻辑管和电阻组成。

确定电路拓扑后，结合阻抗匹配技术给元件赋予合适的初始值，以增益、噪声、输入/输出驻波、P1dB等指标为目标进行优化好放大单元的原理图，以插损、驻波、衰减精度等指标为目标进行优化好衰减单元的原理图。在电路原理图仿真优化设计完成后进行级联仿真，根据仿真结果调整原理图参数知道级联仿真满足指标要求且留有一定余量。

接下来进行单元版图的设计优化，并根据版图布局需要反过来对单元电路进行调整。单元电路版图调整好后再进行级联调整整体版图。反复优化迭代至指标满足要求。最终整体版图设计完成后，再根据DRC规则做check和修改，确认性能后就可以进行流片。

2  实验结果

流片后的放大衰减多功能芯片照片如图4所示。整体芯片尺寸为：2.6 mm×2.8 mm×0.1 mm。

对该放大衰减多功能芯片进行了探针台在片测试，在常温工作条件下，直流偏置Vdd＝3.3 V、Vee＝-5 V、Idd＝60 mA，Iee＝3 mA，控制真值表如表1所示，在片测试结果如图5～图9所示。图5为噪声系数的实测曲线，噪声实测结果典型值＜4.5 dB；图6为小信号增益的实测曲线，增益实测结果在全频段范围内为11～14 dB，且为正斜率；图7为输入输出驻波实测曲线，输入输出驻波均≤1.7；图8为输出P1dB功率实测曲线，功率在全频段范围内＞13.5 dBm；图9为衰减精度实测曲线，衰减精度≤0.5 dB；实测结果均达到指标要求。

3  结  论

由在片测试结果可知，在0.8～18 GHz超宽带工作频率范围内，噪声系数典型值≤4.5 dB，增益＞11 dB，且具有3 dB的正斜率，P-1大于13 dBm，输入输出驻波≤1.8，衰减精度≤0.5 dB，工作电流60 mA@3.3 V、3 mA@-5 V。总体来说，该超宽带放大衰减多功能芯片射频性能优良，集成度高，功耗低，可广泛应用于多种通信电子系统中。

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作者简介：刘莹（1986.05—），女，汉族，四川夹江人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：射频微波毫米波芯片设计。

收稿日期：2022-09-04