基于0.15μm GaAs工艺6-18 GHz宽带低功耗低噪声放大器

成都嘉纳海威科技有限责任公司 滑育楠 廖学介 邬海峰

1.引言

随着电子装备的不断变革，雷达与电子战技术的发展对射频前端中的低噪声放大器的性能提出了宽带、低噪声、低功耗等要求。这是由于低噪放位于接收系统的前端，其噪声系数对整个系统的噪声影响最大，其增益将决定对后级电路的噪声抑制程度，其线性度对整个系统的动态范围产生重要的影响。现有国外宽带低噪声放大器芯片可以在较宽频带内实现较低的噪声和高线性度[1]-[3],但是国内却鲜有相关产品的报道，并且这些电路主要是共源-共源结构或者共源-共栅结构。传统的共源-共源放大器通过两级电路电源分别馈电，前级晶体管通过电阻降压获得合适的漏压，造成功耗增加；而共源-共栅低噪声宽带放大器虽然利用共栅结构大幅改善了输出阻抗匹配，拓宽了带宽，但是对增益贡献很小。

为了解决上述难题，本文设计了一种基于自偏置技术和电流复用方法的共源-共源结构的低噪放芯片结构，从而提高低噪声放大器的性能指标间的良好权衡，实测结果表明该芯片在兼顾低功耗的同时具有极佳的宽带低噪声性能和高线性度特性。

2.电路设计

图1 电流复用的两级共源-共源放大器电路原理图

如图1所示，本论文的低噪声宽带放大器电路采用电流复用的两级共源-共源放大器电路结构，同时采用单电源供电使得应用更加方便。第一级采用自偏置结构，同时和第二级形成电流复用偏置，第二级电路的晶体管的源极通过一个高电抗电路连接第一级电路的漏极，为第一级晶体管提供偏置电流，达到电流复用的作用。高电抗结构利用一个大电感，实现隔离前后级射频信号的效果。为改善电路的输入、输出匹配，第二级电路采用并联反馈结构，同时可获得良好的增益平坦度并有效拓展宽带宽。

第一级晶体管M1和第二级晶体管M2的栅宽分别为4×50 um和4×75 um。电容C1和电感L1组成的串联谐振通路，将第一级晶体管M1和输出信号耦合到第二级晶体管M2的输出端。电容Cs2和电感L2连接第一级晶体管M1和第二级晶体管M2，用于将第二级晶体管M2的直流电流提供给第一级晶体管M1且将射频信号在此支路阻断。在两级级联电路中，第一级晶体管主要实现低噪声和输入驻波匹配，同时兼顾提高增益，减小后级噪声的影响。采用自偏置技术实现了单电源供电。第一级晶体管的栅极通过一个大电感Lg1接地，让第一级晶体管的栅极偏置在零电位，同时阻断射频信号进入交流地。在第一级晶体管的源端插入一个小电阻Rs1，其值等于所需Vgs1除以希望的漏极电流，将源端电位提高到一个正的直流电位，幅度等于所需的栅-源极间的电压，为了防止损失射频增益，源端通过一个大的去耦电容Cs1接地。第二级晶体管M2从漏极到栅极之间加载了RLC负反馈电路。负反馈可以拓展带宽并稳定放大器。因此，本论文所述的宽带低噪声放大器节省了功耗的同时保持较高增益。

3.实验结果

图2 宽带低噪声放大器的芯片照片

该电路结构采用0.15um的GaAs pHEMT工艺流片加工后，获得的芯片厚度为100 um，最终完成的芯片尺寸为1.97×1.35 mm2，芯片照片如图2所示。将芯片装入测试夹具进行微波电性能测试，工作电压5V，电流43mA。

图3 增益和驻波仿真与测试结果

图4 噪声系数仿真与测试结果对比

图5 输出P-1仿真与测试结果对比

图3为仿真与测试的增益、驻波曲线。从测试结果中可以看出，测试与仿真结果吻合较好，增益测试结果高端涨了1dB左右，具有一定正斜率。驻波在6-18G频带内均小于2，但带内较仿真结果波动较大，造成增益也有一定波动，这和测试夹具性能较差有关。图4与图5分别为噪声系数和输出功率P-1的仿真与测试结果对比曲线图。从对比图中可以看出，输出P-1仿真与测试基本保持一致，均大于13dBm，测试结果的噪声系数在带内恶化0.3 dB左右，但均小于2dB。噪声系数恶化主要是由于流片工艺噪声系数模型在该频段准确度不够，此外，夹具测试也会带入一定的误差。

4.结论

本论文采用0.15um GaAs pHEMT工艺研制了一款6-18 GHz低噪声宽带放大器芯片，芯片尺寸为1.97 ×1.35 mm2。在6-18 GHz频带内测试结果显示：放大器带内增益高达21dB，噪声系数典型值为2 dB，输入、输出驻波比均小于2，P-1大于13dBm。芯片在5V工作电压下，电流为43mA，采用电流复用技术比传统设计的功耗降低将近40%。

[1]J.S.Mandeep A.Huda,and R.Nitesh,“A compact, balanced low noise amplifier for WIMAX base station applications,”Microwave Journal 53.11,2010.

[2]P.Nguyen,Duy,et al.,“A 14-31 GHz 1.25 dB NF enhancement mode GaAs pHEMT low noise amplifier,”IEEE MTT-S International Microwave Symposium,2017.

[3]H.Zhang,et al.,“A 3-15GHz ultra-wideband 0.15-μm pHEMT low noise amplifier design,”IEEE Communication Systems,2016.