用于北斗接收机的低噪声放大器芯片设计

李海鸥，卓 锦，李陈成，李 跃，孙堂友，张法碧，刘英博，李 玺，高 喜，张小文，李 琦，傅 涛，肖功利，陈永和，岳克强，孙玲玲

(1.桂林电子科技大学 精密导航技术与应用广西重点实验室，广西 桂林 541004；2.杭州电子科技大学 射频电路与系统教育部重点实验室，杭州 310037)

卫星导航系统是国家安全和经济社会发展的重要支撑。我国的北斗导航系统起步晚，但发展迅速，北斗导航系统的研究因此成为通信系统和电路设计的热点，作为射频前端的低噪声放大器(low noise amplifier,简称LNA)是研究的重点[1]。低噪声放大器广泛应用于通信系统、雷达探测及电子对抗等方面[2]，良好的低噪声放大器有利于提高整个北斗接收机的灵敏度。随着北斗接收机的研究越来越成熟，小型化和集成化成为研究趋势。单片微波集成电路(momolithic microwave integrated circuit,简称MMIC)有利于减少北斗接收机的器件体积和功耗，实现小型化和集成化[3]。

通过对L波段MMIC LNA进行研究设计，采用两级级联结构保证了合适的增益，并在设计前级输入匹配时，选择低噪声的阻抗点和无电感串联拓扑结构进行匹配。采用成都海威华芯股份有限公司0.25 μm GaAs赝配高电子迁移率晶体管(pseudomorphic high electron mobility transistor,简称PHEMT)工艺，实现了在1.5～1.6 GHz频带内的具有高增益、低噪声和良好驻波比的MMIC LNA设计。在漏压为3.3 V时，放大器工作总电流为60 mA，功率增益大于21 dB，工作频带内输入输出驻波比小于1.8，噪声系数小于2 dB，适用于北斗接收机前端。

1 理论分析

1.1 二端口散射参数网络

在LNA设计中，二端口网络被广泛使用。一个带有终端的二端口网络如图1所示。

图1 带有终端的二端口网络示意图

图1中：ΓS为源端反射系数；ΓIN为输入端反射系数；ΓOUT为输出端反射系数；ΓL为负载反射系数；Z0为晶体管阻抗；ZS和ZL分别为源阻抗和负载阻抗[4]。通过S参数来表征晶体管特性，并结合反射系数来表达晶体管的匹配情况。

图2(a)为输入端反射系数的信号流程图(signal flow graph，简称SFG)。图1中的输入反射系数为

(1)

由式(1)可看出，输入反射系数不仅与晶体管的S参数有关，还与负载端的反射系数有关。同样，由图2(b)可写出输出反射系数

(2)

式(2)表明，输出端的反射系数与晶体管的S参数和源端反射系数有关[5]。在设计输入输出匹配电路时，要考虑前后级之间的影响。

图2 输入、输出端反射系数的SFG

1.2 噪声系数

对于两级级联系统，噪声系数的计算公式为

(3)

式(3)表明，在两级级联系统中，第一级噪声F1占的比重最大，第二级噪声F2则被第一级增益G1削弱。因此，在设计时，第一级以噪声匹配为主，第二级以最大增益匹配为主。

在二端口放大器网络中，噪声系数可表示为

(4)

其中，Fmin、rn、Γopt为晶体管的噪声参数。当优化的反射系数Γopt越接近源端反射系数ΓS，归一化等效噪声阻抗rn越小，得到的噪声系数越接近最小噪声系数Fmin。

1.3 增益与稳定性

由放大器的设计理论可知，最大功率增益和最小噪声系数通常无法兼得[6]。在LNA设计中，第一级按照最小噪声阻抗点进行匹配设计，最佳噪声匹配点和最大增益匹配点并非同一个阻抗点，在噪声要求不很严格时，可以选择最佳噪声匹配点和最大增益匹配点中的某个位置进行折中设计。此外，稳定性也是LNA设计时不可忽视的重要因素。在二端口网络中，定义参量Δ,

Δ=S11S22-S12S21。

(5)

那么稳定性系数K为

(6)

当K>1且Δ<1时，放大器处于无条件稳定状态。通常在设计LNA时，需要特别注意低频的增益不宜过高，否则易引起放大器在低频振荡。

2 电路设计

2.1 工艺库分析

图3为海威华芯公司0.25 μm GaAs pHEMT工艺制程，pHEMT采用栅长0.25 μm的T型栅工艺，电阻为氮化钽(TaN)和砷化镓(GaAs)电阻，电容为MIM电容，电感为高Q的螺旋电感和方形电感。采用先进的衬底减薄和背面通孔工艺，减少接地通孔引起的寄生电感，同时漏极工作电压Vd高达8 V，击穿电压Vgd可达18 V。阈值电压Vth为-1.1 V，饱和漏电流Idss为360 mA/mm，典型跨导Gm为450 mS/mm。

图3 海威华芯0.25 μm GaAs pHEMT 工艺制程

2.2 器件选择

MMIC LNA设计中，晶体管的选择决定了性能的最大值，因此尤为重要。优选器件库中8指25 μm栅宽和8指50 μm栅宽2种尺寸的晶体管作为该设计的主要晶体管，其性能对比如图4所示。从图4可看出，8指25 μm栅宽有着很低的噪声系数，作为第一级；而8指50 μm栅宽有着很高的增益，作为第二级。

图4 2种尺寸晶体管性能对比

2.3 偏置电路

偏置电路为晶体管提供工作所需的稳定电压和稳定电流。同时偏置电路中的扼流电感能滤除晶体管所产生的高频信号、高次谐波，旁路电容能滤除电路中的低频信号，避免干扰直流源。为了方便施加直流电压，各级放大器均采用相同的偏压，并使用公共偏压路径。通过对晶体管的特性进行分析，选择VDS=3.3 V，VGS=-0.8 V，该直流偏置点具有很好的跨导和很低的最小噪声系数Fmin。

2.4 整体电路结构

设计的1.5～1.6 GHz MMIC LNA的整体电路结构如图5所示。采用两级级联结构，第一级重点在于低噪声设计，第二级侧重于高增益设计。第二级在晶体管栅漏端并联负反馈结构，传统的反馈电路是由电容、电感和电阻串联形成，电阻用来调节低频增益、电感阻断高频信号，电容则调节信号相位和隔离直流信号[7]。用微带线取代电感达到了同样效果，进一步缩小芯片面积。

图5 整体电路结构示意图

匹配电路是MMIC LNA设计中最为关键的部分。因为未外加元件部分，后期很难调试，所以必须保证设计有足够的裕量应对工艺的偏差[8]。采用两级级联的拓扑结构，需要3个部分的匹配设计。在输入匹配中，偏置电路中的扼流电感参与了匹配设计，有利于缩小芯片面积；在级间匹配中，采用π型匹配将第一级输出端最大增益匹配的高阻抗变换成第二级输入端最佳噪声匹配的低阻抗，进一步减少电路的噪声；在输出匹配中，同样将扼流电感引入匹配设计中[9]。

实际电路中的匹配电容和电感场均有损耗，即匹配电路增益会下降，这有利于整体电路稳定性的提高[10]。版图仿真的稳定性系数K如图6所示。从图6可看出，电路在整个频段稳定系数都大于1，可满足全频段稳定。

图6 LNA的稳定性曲线

3 测试结果

该芯片采用成都海威华芯公司0.25 μm GaAs PHEMT工艺，芯片设计照片如图7所示。键合焊盘在芯片下方，从左至右分别为栅极和漏级供电，芯片面积为1 mm×2 mm。

图7 LNA芯片照片

在测试腔体中对芯片进行测试。在漏极电压VDS=3.3 V，栅极电压VGS=-0.8 V的条件下，获得如图8所示的实测S参数和噪声系数结果，芯片的测试腔体照片如图9所示。

图8 LNA S参数曲线和噪声系数曲线

图9 测试腔体照片

因为测试时是将芯片置于腔体中由键合线引出，所以键合线带来的寄生参数会引起噪声和反射系数的恶化。

4 结束语

采用海威华芯公司的0.25 μm GaAs PHEMT工艺，成功实现一款工作在1.5～1.6 GHz频段的MMIC LNA。电路采用双电源供电，两级级联结构，采用源级串连电感和栅漏端并联负反馈结构，实现了良好的低噪声和高增益。通过理论、工艺库分析、器件选择、静态偏置点选取，到分析电路设计过程，结合实验数据实现了一款用于北斗接收机前端的低噪声放大器，增益大于21 dB，全工作频带内回波损耗大于10，具有很好的实用价值和应用前景。