0.1GHz～18GHz单电源宽带低噪声放大器

杨楠，杨琦，刘鹏

（中国电子科技集团第十三研究所，河北 石家庄 050051）

伴随着当今社会信息化的快速发展，无线通信技术已经广泛应用在各个领域，如通信网络、定位系统、无线局域网、蓝牙等等，这些已经成为生活中不可或缺的部分。尤其是近年来，光纤通信系统、高速率数据传输系统和宽带电磁频谱监测等系统对宽带接收机芯片的需求越来越迫切。而宽带低噪声放大器作为接收机系统的关键器件之一，其工作频段范围制约着整个接收机系统的性能，因此宽带低噪声放大器有很大的研究空间。

目前频率范围覆盖0.1 GHz～18 GHz宽带低噪声放大器芯片，一般需要双电源供电，即提供栅电压和漏电压。且由于工艺参数的波动，同一批次的芯片在固定栅压条件下，放大器增益、功率等可能会有较大的波动，需要通过微调栅压使放大器实现最佳性能。因此在实际工程使用中，双电源放大器需要提供额外的栅偏置电路和上电时序电路，且需要调整栅压值实现放大器的良好性能，这在一定程度上增加了装配工序和调试难度。

本文设计了一款工作在0.1 GHz～18 GHz单电源宽带低噪声放大器芯片，电路采用GaAs增强型pHEMT工艺，将分布式放大器和有源偏置电路一片式集成设计，实现宽带放大器的单电源供电，提高芯片幅度一致性，减少宽带放大器在工程应用的装配工序和调试工作，提高产品可靠性。

分布式放大器作为一种超宽带放大器主要实现方式之一，具有增益平坦、驻波好、体积小等优点，其结构示意图如图1所示。当射频信号通过输入人工传输线（栅线）为一组pHMET晶体管（FET1至FET）提供输入信号，此时各级FET管都处于导通状态；输入信号通过FET管跨导转移到输出人工传输线（漏线）上，射频信号被放大。若电路设计时保证射频信号在栅线和漏线的每段时延均相同，那么经过晶体管放大的射频信号在漏线上可实现正向信号的同相叠加，反向信号则被终端负载Z吸收。当传输线负载与传输线特性阻抗相同时，射频信号就在无频率限制的有损均匀传输线中进行传输。因此电路设计中可以通过合理的优化设计保证栅线和漏线的相速度相同，则理论上分布式放大器就是无频率限制的宽带放大器。

图1 分布式放大器结构示意图

传输线中Z、Z分别为栅线和漏线的特性阻抗，L、L分别是栅线和漏线的长度。传输线的特性阻抗值及长度的选取与晶体管参数有关。仅考虑器件寄生参数C和C的影响，电路中栅线和漏线的特性阻抗分别为：

其中L、C分别为栅线的分布电感和电容，L、C分别为漏线的分布电感和电容，理想条件下，将射频信号在分布式放大器中输入和输出传输线看做是无损耗传输，且相速度一致，则放大器的增益表达式为：

其中G为pHEMT管的跨导值，为分布式放大器中pHEMT管并联的级数。

但实际传输线都是有损耗传输的，分布式放大器在单元电路级数增加同时传输线的损耗也会随之增加，最终随着级数的增多分布式放大器整体增益下降。对式（2）求导，得最优设计级数的表达式为：

本文设计的分布式放大器采用级联分布式拓扑结构，其中增益单元电路采用共源共栅结构。共源共栅结构电路减小了第一级FET管的米勒效应，以此扩展频率带宽范围，在增益单元级数相同的条件下，增益值比共源结构的分布式放大器电路可提高2～4 dB，同时提高电路的反向隔离度，减小输出传输线的损耗。

偏置电路分为无源偏置电路和有源偏置电路两种。无源偏置电路，电源电压Vdd通过两个电阻进行分压，为减小电路功耗，一般两电阻值之和需达到kΩ量级或更高。此偏置电路结构简单，但温度特性差，分压电阻对低噪声放大器的输入阻抗有一定的影响，因此本文设计不采用此种无源结构。有源偏置电路常见于温补电路设计中，经常采用CMOS工艺来实现。本文采用的有源偏置电路与其不同，通过电阻R2将pHMET管M0的栅极、漏极短接，此时晶体管等效为一个晶体二极管，如图2所示。电源电压Vdd通过电阻R1、晶体管M0栅漏短接与电阻R2分压，电阻R3为隔离电阻，该电路结构可以随温度及工艺参数变化为分布式放大器提供相对稳定的静态偏置Vg，可减小放大管因温度、工艺参数波动引起的性能变化。且有源偏置电路有更好的扼流特性，将此偏置电路与分布式放大器集成，工作带宽范围内的绝大部分射频信号被反射避免信号泄露。

图2 有源偏置电路

本文基于GaAs增强型pHMET工艺，将分布式放大器和有源偏置电路集成化设计，有源偏置引入的电阻对输入阻抗的变化可以通过输入匹配电路消除。放大器原理图如图3所示，根据工艺参数推荐的晶体管工作偏置，共源共栅增益单元中共源管栅偏置电压Vg典型值为0.45 V，有源偏置电路通过电阻晶体管等分压，为其提供0.45 V的电压。有源偏置电路会引入额外的功耗，因此仿真中要注意晶体管M0尺寸及R1、R2电阻值的选取，额外引入的电流最好控制在mA量级。综合功耗及偏置电路扼流性能，最终选取晶体管M0尺寸2×30 um，R1电阻值750 Ω，R2电阻值900 Ω，R3电阻值4 kΩ，有源偏置电路局部功耗2 mA。

图3 0.1 GHz～18 GHz单电源宽带低噪声放大器原理图

分布式放大器的单元电路级数与电路频率、衰减常数及晶体管参数等相关，综合考虑工作带宽、增益、输出P1dB、功耗及芯片尺寸等指标，最终确定单元电路级数为8级，放大管尺寸均为2×40 μm，增益单元里共源放大管与共栅放大管静态电流相同，工作偏置电压可通过电阻R1、R2比例来调整，以此调整放大器的增益、功率等指标。芯片进行集成化设计时，有源偏置电路和分布式放大器进行一体化设计，通过输入匹配网络优化输入驻波及噪声系数的高低，并且消除有源偏置电路阻抗对输入阻抗的影响；通过调整输出匹配网络和栅线、漏线的线宽和线长等所有变量，优化增益、功率、噪声系数等指标以满足技术指标要求，同时要保证放大器的绝对稳定性。

基于上述设计思路，本文采用0.15 μm GaAs增强型pHEMT工艺 设计并流片一款工作于0.1 GHz～18 GHz单电源宽带低噪声放大器芯片，该电路可广泛应用于宽带收发系统当中。电路设计采用电磁仿真软件，通过小信号、大信号仿真控件、稳定性控件及优化控件等对电路原理图和版图进行优化仿真。增益单元电路共八级，每级增益单元的元器件尺寸完全相同，保证信号经过各级放大后实现信号的同向叠加；折中设计电路的增益平坦度、噪声系数、输出P1dB及输入、输出回波损耗，并保证电路绝对稳定。仿真曲线如图4中实线所示，增益大于18 dB，增益平坦度±0.5 dB以内，输出P1dB 功率 12 dBm@10 GHz、10 dBm@18 GHz，噪声系数NF典型值为2.5 dB，带宽范围内整体噪声小于4.0 dB，输入、输出驻波较小，直流功耗5 V/60 mA。

经过工艺加工流片及在片测试，该宽带低噪声放大器在0.1 GHz～18 GHz频率范围内，增益大于18 dB， 0.1 GHz～ 1 GHz内增益平坦度略差，此现象可通过装配偏置电路（漏电压端外加μF量级电容倒地）来改善；输出P1dB 功率为12 dBm@10 GHz、10 dBm@18 GHz，与仿真基本趋于一致；噪声系数NF典型值为2.5 dB，但在0.1 GHz～ 0.4 GHz频率范围内，噪声系数实测高于仿真值；输入、输出驻波实测与仿真值趋于一致；直流功耗典型值为5 V/60 mA。同一晶圆上放大器增益幅度波动≤±0.5 dB，幅度一致性优于双电源分布式放大器。放大器在高低温条件下无自激，电路稳定。芯片实物照片如图4所示。

图4 芯片实物照片

本文讲述一种集成有源偏置电路的单电源宽带低噪声放大器芯片设计方法，设计并流片一款频率覆盖0.1 GHz～18 GHz的单电源宽带低噪声放大器，芯片尺寸2.4 mm×1.0 mm×0.07 mm，芯片集成度高。经测试，放大器在工作频段内，小信号增益大于18 dB，输出P1dB典型值12 dBm，噪声系数典型值2.5 dB，直流功耗为5 V/60 mA，可满足工程使用需求。