超短波低噪声放大器的设计

张 博,肖宝玉

(西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安 710121)

低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)作为接收模块中第一个有源器件,在接收机中占有重要的作用,其中线性特性和噪声系数直接决定接收机链路的灵敏度和动态范围,因此在低噪声放大器设计中线性特性和噪声系数一直是研究的热点。

针对提高低噪声放大器线性度和低噪声系数的研究,文献[1]提出采用共源共栅结构和多重反馈网络等技术改进电路结构,使其电路具有低于0.5 dB 的噪声系数,输出三阶交调点大于36 dBm,但是增益较差,芯片面积较大,为2 mm×2 mm。文献[2]提出了通过采用功率合成来提高低噪声放大器输出功率,其输出1 dB 压缩点大于20 dBm,输出三阶交调点大于38 dBm,由于在放大器级间和输出部分使用了90°片上集成巴伦,该电路结构比较复杂,芯片面积较大。文献[3]提出了导数交叠法来提高低噪声放大器的线性度,其输出三阶交调点也仅为30.6 dBm,且增益和噪声系数较差。

鉴于LNA 需要具有良好的噪声系数,并能提供足够的增益,以确保整个接收系统具有最小噪声系数;同时当接收信号较大时,应有足够的线性度以减小信号失真[1],本文采用一种新型有源偏置电路以及带有RC 负反馈的共源共栅结构电路,设计了一款工作在10～1000 MHz 的超短波低噪声放大器。该放大器具有优异的低噪声系数和高线性度。电路采用带有RC 负反馈的共源共栅结构,拓展了工作带宽。设计的新型有源偏置电路可以有效地提高该低噪声放大器的线性度。

1 电路设计

1.1 共源共栅(Cascode)电路结构

为了获得好的隔离度和高增益,并拓展频宽,文中放大器电路采用带有RC 反馈的共源共栅结构,如图1 所示。共源共栅结构具有输出阻抗高、增益高、屏蔽特性等优点[4]。

图1 共源共栅结构电路图Fig.1 Circuit diagram of common-source common-gate structure

(1) 输出阻抗高

式中:gm为栅源之间的跨导;gmb为衬底和源极之间的跨导;r1为M1的等效电阻;r2为M2的等效电阻。又因为gmr2≫1,所以最终输出阻抗为:

式(2)表明,串接M2使得M1的输出阻抗为原来的(gm+gmb)r2倍,输出阻抗大大增加,这是共源共栅放大器最大的特点,对提高放大器小信号增益、电路源的恒流特性十分有利。

(2) 增益高

共源共栅结构还具有增益高、隔离度好的优点,相比较于共源或者共栅结构有明显的优势。

由前面的输出阻抗分析可知,共源共栅结构增益为:

而共源级增益为:

从式(3)和式(4)可以得出共源共栅结构的增益是共源级结构增益的(gm2+gmb2)r2倍。

(3)具有屏蔽特性

在某种意义上,共源共栅晶体管“屏蔽”输入器件,使它不受输出结点电压变化的影响。

1.2 稳定性分析

稳定性是放大器的重要指标,必须保证放大器在工作频段内稳定工作才有实现其他特性的可能。稳定性一般分为两类,分别是绝对稳定和条件稳定。

在放大器设计中,绝对稳定是非常重要的。K值是判断低噪声放大器是否稳定工作的指标,定义为稳定性因子,Γin为输入端口的反射系数,ΓL为负载反射系数,Δ为散射矩阵的行列式,判定为绝对稳定需要满足以下关系[3]:

基于以上分析,为了保证低噪声放大器能够稳定工作,本文通过给源极串联电感的形式,实现其工作频带内能够稳定工作的性能。而实际中,由于键合线在封装中必不可少,所以源极电感接地经常用键合线来实现,这样在版图的设计中可以很大程度上减小芯片面积。为了尽可能减小电感值,在封装中可使用下连绑定线技术,即将源极焊盘和封装外壳的地用键合线连接,1 mm 键合线大约有1 nH 感值[5],本设计中源极采用0.5 mm 键合线与封装外壳的地连接。

1.3 偏置电路

放大器的偏置电路一般分为无源偏置和有源偏置。无源偏置结构一般采用电阻分压或者电感到栅极的方式。这种结构简单易于实现,但是无源器件随着温度的变化不明显,其温度特性较差。而有源偏置结构利用晶体管二极管连接电阻特性,为放大器随着温度的变化提供稳定的静态偏置[5]。考虑到此款芯片的工作环境等因素,本文选用有源偏置电路来为放大器提供稳定的静态偏置,其偏置电路如图2 所示。其中M4和M3管子栅长尺寸分别为50,25 μm,电阻R3作为反馈电阻,R4是栅极分压电阻,电容C3起到射频交流到地作用,其中C3和C4对调节高频线性度具有一定的作用,最终通过M3给放大器输入端提供合适的偏置。图3 是本设计电路原理图。

图2 有源偏置电路Fig.2 Active bias circuit

图3 低噪声放大器整体电路图Fig.3 Overall circuit diagram of low noise amplifier

因为此低噪放频率范围为10～1000 MHz,为了拓展频宽采用两层RC 反馈,其中C8、R13为片外反馈,C5、R6是片内反馈。R7、R8作为栅极分压电阻,R11、R12进行静态电流地调节;L1、L2为扼流电感,阻断高频信号,同时参与一定的输入输出匹配;C2、C11为隔直电容,断绝直流信号,同时也对输入输出匹配起到一定的作用;C9、C10作为旁路电容,滤除射频信号,对电源起到保护作用。其中输入输出匹配电路采用片外的分立元件,这样有利于匹配调节以及工作频点调整,很大程度上缩短研发周期和降低成本[7]。现已确定该低噪声放大器的偏置网络和偏置电压工作点(8 V/238 mA),故对本电路进行优化仿真。

2 电路仿真分析

本次设计采用0.5 μm GaAs 增强型赝配高电子迁移率晶体管(E-PHEMT),该晶体管典型的漏极电流ID为320 mA/mm,跨导是570 mS/mm[8]。根据原理图,对电路进行了初步仿真。在低噪声放大器的仿真中主要包括小信号S参数仿真、噪声系数(NF)以及稳定性仿真;大信号仿真包括输出1 dB 压缩点(OP1dB)、输出三阶交调点(OIP3)。在初步仿真结果基础上进一步对各指标优化,最终达到设计要求[9]。

由于ADS 原理图仿真和电磁仿真(EM)存在差异,且后者更接近实际环境,将EM 仿真完成后生成的symbol 代入到原理图中进行联合仿真[10],设计出低噪声放大器的版图如图4 所示,尺寸为1 mm×0.9 mm。根据放大器器件工作的温度,仿真温度分别设置为低温-55 ℃,常温25 ℃,高温125 ℃,其中三种不同温度下的静态电流分别为238,238,218 mA,并且满足在全频带K均大于1 的稳定性要求。图5～8 和图9 分别为该低噪声放大器的小信号仿真和大信号仿真结果。

图4 低噪声放大器的版图设计Fig.4 Layout design of low noise amplifier

图5 分别是输入输出回波损耗在不同温度下随着频率变化曲线,本设计在输入输出端均采用不同的匹配方式使其有良好的匹配,因此三种温度下的仿真值都在-10 dB 以下。

图5 放大器不同温度的输入输出回波损耗Fig.5 Input/output return loss of the amplifier at different temperatures

图6 是放大器在不同温度下的反向隔离度随频率变化曲线。由于共源共栅结构的隔离度好,使得本电路的隔离度都在-25 dB 以下。

图6 放大器不同温度的反向隔离度Fig.6 Reverse isolation of the amplifier at different temperatures

图7 是放大器在不同温度下的增益随着频率变化曲线。在常温1000 MHz 处的增益为22.8 dB。在频带内,增益随温度的变化,波动范围小于0.8 dB。

图7 放大器不同温度的增益Fig.7 The gain of the amplifier at different temperatures

图8 是放大器的噪声系数在不同温度下随频率变化曲线。在整个频带内噪声系数均小于0.8 dB,且在常温1000 MHz 处噪声系数仅为0.7 dB。

图8 放大器不同温度的噪声系数Fig.8 Noise factor of the amplifier at different temperatures

图9 分别是该放大器输出1 dB 压缩点和输出三阶交调点在不同温度下随频率变化曲线。在常温1000 MHz 处,OP1dB 为28.3 dBm,OIP3 为43.8 dBm。根据以上仿真数据表明本文提出的新型有源偏置电路可以使低噪声放大器在不同的温度环境下正常工作,且表现出优异的性能。

图9 放大器不同温度的输出1 dB 压缩点和三阶交调点Fig.9 Output 1 dB compression point and output third order interchange point of the amplifier at different temperatures

表1 给出了本文提出的超短波低噪声放大器与具有类似特性的低噪声放大器的主要指标对比。从表1可以看出,本文设计的低噪声放大器具有更低的噪声,并且三阶交调点远高于其他文献,优异的性能使其可以更好地工作在超短波通信系统中。

表1 放大器的性能对比Tab.1 Performance comparison of amplifiers

3 结论

本文基于0.5 μm E-PHEMT 工艺设计了一款超短波低噪声放大器,该放大器的主结构采用共源共栅电路结构,以确保其具有高增益、隔离度高的性能,并且利用特殊的有源偏置电路来设计出一款在高低温中具有高线性度的低噪声放大器。设计仿真结果为:在10～1000 MHz 频率范围内,增益高于22 dB,噪声系数低于0.7 dB,输出1 dB 压缩点高于26 dBm,输出三阶交调点高于43 dBm。同现有的同类研究相比表明,该低噪声放大器具有低噪声、高增益、高线性度等特点,使得接收机链路具有很好的灵敏度和动态范围。