4～8 GHz寬帶單片集成低噪聲放大器設(shè)計(jì)

摘要 基于0．15μm GaAs PHEMT工藝設(shè)計(jì)了一款C波段寬帶單片集成低噪聲放大器。電路由三級放大器級聯(lián)而成，三級電路結(jié)構(gòu)均使用電阻自偏壓技術(shù)來實(shí)現(xiàn)單電源供電，它既可保證PHEMT管處于低噪聲高增益的工作點(diǎn)，又可將所有元器件集成在單片GaAs襯底上，解決了供電復(fù)雜的問題。第三級電路采用了并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，降低了帶內(nèi)低頻端增益，提高了高頻端增益，從而改善了增益平坦度。利用微波仿真軟件AWR對電路進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，結(jié)果顯示，在4～8GHz頻帶內(nèi)，噪聲系數(shù)<1．4dB，增益達(dá)23±0．5dB，輸入輸出駐波比<2．0：1。
關(guān)鍵詞 自偏置；低噪聲放大器；PHEMT；單片微波集成電路；C波段

    低噪聲放大器位于通信系統(tǒng)接收機(jī)的前端，可使整機(jī)系統(tǒng)噪聲系數(shù)降低，從而提高系統(tǒng)接收靈敏度。隨著微波、毫米波技術(shù)的發(fā)展，接收機(jī)系統(tǒng)對低噪聲放大器工作頻帶及噪聲系數(shù)等性能的要求不斷提高。
    寬帶低噪聲放大器中，由于場效應(yīng)管柵極-漏極電容的存在，功率增益隨頻率的增加以大約6 dB／倍頻的斜率下降，而且?guī)拑?nèi)增益不穩(wěn)定。增益補(bǔ)償?shù)膶拵Ъ夹g(shù)通常有4種電路形式：有源匹配式、電阻性阻抗匹配式、平衡電路式、行波式、負(fù)反饋式。負(fù)反饋式電路結(jié)構(gòu)相對簡單、體積小、成本低、成品率較高，對于單片低噪聲放大器而言，采用負(fù)反饋式結(jié)構(gòu)是較為普遍的方式。
    近年來，基于GaAs HEMT工藝，采用負(fù)反饋技術(shù)的X、K、W等各波段寬帶單片低噪聲放大器皆有報(bào)道。文獻(xiàn)提出一種C波段內(nèi)5～6 GHz寬帶單片低噪聲放大器，采用GaAs PHEMT工藝，利用負(fù)反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)良好的性能。然而工作于4～8 GHz頻段，帶寬達(dá)4 GHz的單片微波集成低噪聲放大器幾乎未曾報(bào)道。
    文中提出一款采用負(fù)反饋技術(shù)、具有自偏置結(jié)構(gòu)的4～8 GHz寬帶單片低噪聲放大器。該放大器的單電源供電，與雙電源供電相比，無需外接復(fù)雜的時(shí)序電源電路來實(shí)現(xiàn)正、負(fù)壓按次序接入放大器的功能，既可保證PHEMT管處于低噪聲高增益的工作點(diǎn)，又可將所有元器件集成在單片GaAs襯底上，使用方便。整個(gè)電路具有寬頻帶、高穩(wěn)定性、低噪聲、高增益等優(yōu)良特性。

1 電路設(shè)計(jì)
1．1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    根據(jù)級聯(lián)放大器噪聲系數(shù)表達(dá)式
   
    可知，第一級的噪聲系數(shù)和增益基本決定了整個(gè)電路的噪聲系數(shù)。本設(shè)計(jì)的三級放大電路中，在第一級電路中的晶體管源極添加合適的反饋電感L1，使晶體管最佳噪聲匹配點(diǎn)與最佳駐波匹配點(diǎn)更接近，從而使放大器噪聲匹配更容易，尤其在帶寬較寬的情況。三級電路都采用了電阻自偏壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在第三級PHEMT管柵極和漏極之間接入RLC并聯(lián)電路以獲得良好的增益平坦度。
    各級輸入匹配采用T型寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，第一級輸入匹配采用噪聲匹配，其他輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用共軛匹配，使放大器能夠同時(shí)擁有低噪聲系數(shù)和高功率輸出能力。為了便于級聯(lián)，輸入、輸出端都以50Ω串聯(lián)電阻為標(biāo)準(zhǔn)，并在級聯(lián)間加入電容以阻隔后級的直流偏置。圖1給出了三級低噪聲放大器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，虛線框(a、b、c)為電阻自偏壓電路，虛線框(d)為并聯(lián)負(fù)反饋電路。

1．2 理論分析
    常見并聯(lián)負(fù)反饋的單級放大器結(jié)構(gòu)及理想小信號(hào)模型如圖2(a)，圖2(b)所示。在柵極和漏極之間添加由電容Cf和電阻Rf串聯(lián)形成的反饋支路，Rf為反饋電阻，電容Cf主要起隔斷直流的作用。

    文獻(xiàn)給出小信號(hào)模型中PHEMT管的S參量表達(dá)式為
   
    由式(2)～式(4)可以發(fā)現(xiàn)，不考慮寄生參數(shù)時(shí)，S參數(shù)與頻率無關(guān)，增益和輸入輸出回波損耗比較穩(wěn)定。
    高頻時(shí)PHEMT的寄生參數(shù)對微波性能影響較大。由于柵源電容Cgs的存在，當(dāng)反饋支路中的電阻Rf增大時(shí)，寄生參數(shù)的作用較明顯，放大器帶寬變窄，|S21|隨頻率滾降。為克服此缺點(diǎn)，文中采用負(fù)反饋單級放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。在反饋環(huán)中串接電感Lf，使帶內(nèi)低頻端支路阻抗變小，反饋量增加；高頻端支路阻抗變大，反饋量減少。另外，串接電感補(bǔ)償了受PHEMT管寄生參數(shù)擾亂的S21相位，使反饋得以正
常進(jìn)行。

    另外，文中結(jié)構(gòu)采用電阻自偏壓技術(shù)，偏置由有源晶體管器件自身柵源極形成壓差作為負(fù)壓源，電壓值為-Vd，即Rd兩端電壓Vd的負(fù)值。源極串聯(lián)的電阻Rd引入了噪聲并導(dǎo)致增益下降，在電阻兩端接入一個(gè)旁路電容Cd，使射頻信號(hào)直接通過電容耦合到地而避免能量衰減。這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了單電源供電，與常見的雙電源供電方式相比，不需要為防止柵極受損、漏極過流而損壞，專門設(shè)計(jì)能保證負(fù)壓先、正壓后供電順序的特定電源電路，有效簡化了偏置網(wǎng)絡(luò)，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。

2 仿真分析
    文中基于微波仿真軟件AWR Microwave Office，對放大器電路偏置工作點(diǎn)、穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)以及S參數(shù)進(jìn)行了仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。
2．1 偏置點(diǎn)選取
    偏置電路給場效應(yīng)管提供一個(gè)直流工作點(diǎn)，直流工作點(diǎn)影響著最小噪聲系數(shù)與最大穩(wěn)定增益。設(shè)計(jì)中放大器三級晶體管均選用柵長為0．15μm、柵寬尺寸為4×50μm的PHEMT晶體管。對晶體管的直流工作點(diǎn)進(jìn)行掃描，管芯的I-V特性曲線和最小噪聲系數(shù)(NFmin)、最大穩(wěn)定增益MSG隨VGS變化的曲線如圖4和圖5所示。

    從圖4和圖5可以看出，當(dāng)VDS=2 V時(shí)，KGS為一0．3 V處的最小噪聲系數(shù)僅比最低點(diǎn)高0．02 dB，此時(shí)最大穩(wěn)定增益比最高點(diǎn)低1 dB。第一、二級放大器選取此工作點(diǎn)能夠兼顧噪聲系數(shù)與增益的要求，第三級考慮到放大器的線性輸出功率，選取偏置點(diǎn)為最大飽和漏極電流Idss的50％左右。最終實(shí)現(xiàn)5 V單電源供電下，直流供電電流為38 mA。三級PHEMT晶體管各級偏置如表1所示。

2．2 穩(wěn)定性分析
    在微波頻段，源極負(fù)反饋電阻兩端并聯(lián)的電容會(huì)使放大器在某些頻點(diǎn)產(chǎn)生自激振蕩，突變成振蕩器，嚴(yán)重時(shí)還可能燒毀芯片。為避免三級放大器在工作時(shí)起振，必須保證每一級晶體管以及整體電路都滿足絕對穩(wěn)定性的條件。
    文中在第一級晶體管源極串聯(lián)合適的電感，同時(shí)在放大器末級輸出端口接入阻性衰減器，以確保級聯(lián)放大器在所有頻率點(diǎn)絕對穩(wěn)定。穩(wěn)定性度量通常用穩(wěn)定因子K、B表示，若K>1，B>0，電路就能穩(wěn)定工作。圖6中電路穩(wěn)定性的仿真結(jié)果表明，在DC0～16 GHz頻率范圍內(nèi)，穩(wěn)定因子K、B滿足條件，電路絕對穩(wěn)定。

2．3 仿真結(jié)果分析
    先后采用隨機(jī)法和梯度法來優(yōu)化電路，獲得電路優(yōu)化后的前仿真結(jié)果?？紤]電阻、電感、電容等元件的寄生效應(yīng)，對電路進(jìn)行電磁場仿真，獲得噪聲系數(shù)、S參數(shù)的后仿真結(jié)果。前、后仿真結(jié)果對比如圖7和圖8所示。

    從圖7和圖8可以看出，后仿真結(jié)果與前仿真相比，4～8 GHz內(nèi)，增益降低2 dB，噪聲系數(shù)約增加0．5 dB，這是由電路元件的寄生參數(shù)和相互間的電磁干擾造成的。仿真結(jié)果表明該寬帶單片低噪聲放大器的增益平坦度保持在0．5 dB以內(nèi)，輸入、輸出駐波比<2。超寬帶、高增益、低噪聲的優(yōu)異性能使這款放大器具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。低噪聲放大器版圖如圖9所示。

3 結(jié)束語
    采用先進(jìn)的0．15μm GaAs PHEMT工藝設(shè)計(jì)了一款4～8 GHz寬帶單片低噪聲放大器。此放大器無需任何片外匹配元件，單電源供電，能有效簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明：工作頻率在4～8 GHz范圍內(nèi)，放大器噪聲系數(shù)<1．4dB，增益約23dB，帶內(nèi)增益起伏不超過0．5dB，輸入輸出駐波比<2，全頻帶內(nèi)保持絕對穩(wěn)定，適用于C波段無線通信接收機(jī)系統(tǒng)。