童 偉 王亞文 王測(cè)天 呂繼平 鄔海峰

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1 引言

隨著無(wú)線通信、軟件無(wú)線電等技術(shù)的不斷發(fā)展，電子通信設(shè)備對(duì)射頻前端的低噪聲放大器的帶寬和低功耗的需求日益提高。為了實(shí)現(xiàn)寬帶、低功耗指標(biāo)，采用達(dá)林頓組合放大管實(shí)現(xiàn)的低噪聲放大器成為了一種首選方案，在射頻微波通信系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的研究成果中，達(dá)林頓低噪聲放大器往往采用HBT器件實(shí)現(xiàn)寬帶放大功能，且該HBT達(dá)林頓放大器具有優(yōu)良的線性度特性[1]，但是HBT工藝性能隨著噪聲增加而變差，特別是噪聲性能隨頻率惡化較嚴(yán)重[2]，[3]。相比而言，GaAs pHEMT晶體管的特征頻率(fT)較HBT工藝更高，更適用于較高的頻段，同時(shí)pHEMT工藝具有比HBT更好的噪聲特性。由于pHEMT工藝具有增強(qiáng)型與耗盡型兩種，耗盡型工藝的柵極需要負(fù)壓供電，不適用于達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，因此增強(qiáng)型pHEMT達(dá)林頓管更適合實(shí)現(xiàn)寬帶、低噪聲的指標(biāo)。

本文研究并設(shè)計(jì)了一種增強(qiáng)型GaAs pHEMT工藝達(dá)林頓低噪聲放大器芯片，采用基于共源、共柵結(jié)構(gòu)的新型達(dá)林頓放大器結(jié)構(gòu)，并結(jié)合有源偏置技術(shù)與負(fù)反饋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超寬帶、低噪聲、低功耗的特性。該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)在0.1-7GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)平坦增益，同時(shí)兼顧功耗與線性度。

2 電路設(shè)計(jì)

圖1 達(dá)林頓低噪聲放大器電路原理圖

如圖1所示，該低噪聲寬帶放大器的放大單元采用達(dá)林頓放大管結(jié)構(gòu)。其中，達(dá)林頓放大管的第一級(jí)對(duì)射頻性能影響較大，因此本方案將輸入管的的偏置電路設(shè)計(jì)為有源偏置電路，可以減小增強(qiáng)型pHEMT工藝中溝道開啟電壓Vto在波動(dòng)對(duì)射頻性能的影響；第二級(jí)達(dá)林頓管采用由T2與T3組成的Cascode放大結(jié)構(gòu)，可以顯著提升放大器的增益帶寬積，并且Cascode結(jié)構(gòu)中的共柵管采用電阻分壓結(jié)構(gòu)，可以減小芯片面積。

達(dá)林頓結(jié)構(gòu)第一級(jí)晶體管T1、T2與T3的柵寬分別為8×75um、8×100 um和8×125um。電感L1與電容C4作為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化輸入匹配，同時(shí)對(duì)噪聲惡化程度較小。晶體管T1的偏置電壓由電阻Rb與晶體管T4組成的有源偏置網(wǎng)絡(luò)組成，該結(jié)構(gòu)可以減小溝道開啟電壓變化對(duì)性能的影響，有效提高批次一致性。晶體管T3的偏置電壓由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)組成，該晶體管的柵極也增加了由電阻R3與C3組成的穩(wěn)定增強(qiáng)電路，以提高電路的穩(wěn)定性。為進(jìn)一步提高達(dá)林頓放大器的寬帶阻抗匹配特性，本文設(shè)計(jì)電路增加了RC反饋電路，分別由電容C1與電阻R1將輸出信號(hào)反饋到晶體管T1的柵極，以及由電容C2與電阻R2將輸出信號(hào)反饋到晶體管T3的輸出級(jí)，這兩個(gè)RC負(fù)反饋電路進(jìn)一步提高了電路的帶寬。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 達(dá)林頓低噪聲放大器照片

圖3 達(dá)林頓低噪聲放大器實(shí)測(cè)S參數(shù)

該電路結(jié)構(gòu)采用0.5um的增強(qiáng)型GaAs pHEMT工藝流片加工后，芯片照片如圖2所示。其芯片尺寸為0.9×0.6mm2，芯片厚度為100 um。將裸芯片裝在測(cè)試夾具上進(jìn)行微波電性能測(cè)試，測(cè)試工作電壓3.3V，典型電流54m A。圖3至圖5為裸芯片在測(cè)試夾具上的測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果中可以看出，常溫條件下，在0.1-7GHz工作頻帶內(nèi)，小信號(hào)增益大于20dB，噪聲小于3dB，增益平坦度小于±1dB，輸入輸出回波損耗典型值為-15dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)大于14dBm，輸出三階截點(diǎn)大于26dBm。

圖4 達(dá)林頓低噪聲放大器實(shí)測(cè)噪聲系數(shù)

圖5 達(dá)林頓低噪聲放大器實(shí)測(cè)P1dB和OIP3

4 結(jié)論

本論文采用0.5um GaAs pHEMT工藝研制了一款0.1-7GHz寬帶低噪聲放大器芯片，芯片尺寸為0.9×0.6 mm2。該芯片在3.3V工作電壓下，工作電流為54m A，在0.1-7GHz工作頻帶內(nèi)，小信號(hào)增益大于20dB，噪聲小于3dB，增益平坦度小于±1dB，輸入輸出回波損耗典型值為-15dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)大于14dBm，輸出三階截點(diǎn)大于26dBm。低供電電壓與功耗的應(yīng)用場(chǎng)景下，該芯片實(shí)現(xiàn)了較優(yōu)良的線性度指標(biāo)，因此在4G、5G通信系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。