成都嘉納海威科技有限責(zé)任公司 呂繼平 鐘 丹 王測天 鄔海峰

5G通信系統(tǒng)具有更高的信息傳輸容量和速度，因此具有廣闊的市場應(yīng)用前景。但是由于5G通信系統(tǒng)采用了部分sub-6GHz以下的通信頻段，導(dǎo)致頻段利用更加擁擠，采用合理的通信系統(tǒng)和傳輸協(xié)議是高效利用頻譜資源的關(guān)鍵。為了高效地利用有限的頻譜資源，需要顯著提高通信系統(tǒng)的線性度和動態(tài)范圍等指標(biāo)。作為5G通信系統(tǒng)中射頻前端的關(guān)鍵器件，低噪聲放大器位于天線之后，是接收系統(tǒng)中的第一個(gè)有源器件，因此其噪聲系數(shù)決定著整個(gè)系統(tǒng)的噪聲優(yōu)劣，其增益將決定對后級電路的噪聲抑制程度，其線性度對整個(gè)系統(tǒng)的動態(tài)范圍產(chǎn)生重要的影響。然而，當(dāng)前傳統(tǒng)射頻與微波低噪聲放大器芯片設(shè)計(jì)中，一直存在一些設(shè)計(jì)難題，主要體現(xiàn)在：低功耗、高增益、低噪聲放大指標(biāo)相互制約以及低功耗和高線性度指標(biāo)相互制約。目前，國內(nèi)外對寬帶低噪聲放大器暫不具備放大器關(guān)斷（Power down-PD）功能，無法滿足TDD系統(tǒng)的特殊需求。

為了滿足5G無線通信系統(tǒng)在0.4～3GHz頻段的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)寬帶、高線性度、低噪聲的指標(biāo)，本文基于Cascode結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款具備Power down功能的0.4～3GHz的低噪聲、高線性度放大器。實(shí)測結(jié)果顯示，在5V工作電壓下，芯片直流功耗為60mA，放大器帶內(nèi)增益≥18dB，輸入、輸出回波損＜-12dB，噪聲系數(shù)＜0.8dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)≥21.5dBm，輸出三階截點(diǎn)≥32dBm。

1 電路設(shè)計(jì)

圖1為本文提出的高線性度低噪聲放大器的電路原理圖。基于0.25μm GaAs pHEMT工藝，晶體管M1和M2構(gòu)成Cascode結(jié)構(gòu)（共源共柵），共源晶體管M1和共柵晶體管M2的柵寬分別為3×75μm和3×120μm。同傳統(tǒng)共源放大器相比，Cascode結(jié)構(gòu)提升了放大器的增益、輸入輸出隔離度，同時(shí)，Cascode結(jié)構(gòu)中的共源放大器對芯片性能的影響占主導(dǎo)作用，工作在低漏極電壓狀態(tài)下，噪聲系數(shù)得到了改善。為了進(jìn)一步改善放大器噪聲系數(shù)，共源級電路使用源極串聯(lián)電感負(fù)反饋結(jié)構(gòu)來增加輸入阻抗并實(shí)現(xiàn)噪聲匹配。整個(gè)放大器芯片采用有源偏置結(jié)構(gòu)，可以提高放大器溫度穩(wěn)定性。本電路的共源極共柵極電路均使用了RC并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，來調(diào)節(jié)輸入輸出匹配，并擴(kuò)展帶寬，改善穩(wěn)定性能；電容C2和電阻R2為輸出端到共柵管M2柵極的負(fù)反饋電路，能夠改善電路穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)增益并改善線性度性能。放大器Power down功能電路中，當(dāng)PD端輸入低電平時(shí)，晶體管M4關(guān)斷，此時(shí)晶體管M2柵極為高電平，源漏導(dǎo)通，放大器有射頻輸出；當(dāng)PD端輸入高電平時(shí)，晶體管M4源漏導(dǎo)通，此時(shí)晶體管M2柵極為低電平，源漏關(guān)斷，放大器無射頻輸出。

圖1 低噪聲放大器電路原理圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本電路芯片版圖調(diào)試優(yōu)化后進(jìn)行了流片加工，芯片照片如圖2所示，尺寸為0.72×0.62mm2。在VDD采用5V工作電壓時(shí)，放大器靜態(tài)電流為60mA。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和電源測試芯片性能指標(biāo)，測試結(jié)果如圖3所示。在0.4～3GHz工作頻段內(nèi)，放大器芯片增益大于等于18dB，具有一定正斜率，輸入、輸出回波損耗優(yōu)于-12dB，噪聲系數(shù)在工作頻段內(nèi)最大值為0.8dB，放大器的輸出1dB壓縮點(diǎn)在工作頻段內(nèi)大于等于21.5dBm，輸出三階截點(diǎn)OIP3大于32dBm。

圖2 寬帶低噪聲放大器的芯片照片

圖3 S參數(shù)及線性度測結(jié)果

結(jié)論：本文基于0.25μm GaAs pHEMT工藝，采用Cascode結(jié)構(gòu)作為放大級，研制了一款工作在0.4～3GHz具備Power down功能的高線性度低噪聲放大器，芯片尺寸為0.72×0.62mm2。芯片實(shí)測結(jié)果顯示，在5V工作電壓和60mA靜態(tài)電流條件下，放大器帶內(nèi)增益≥18dB，輸入、輸出回波損耗優(yōu)于-12dB，噪聲系數(shù)小于0.8dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)優(yōu)于21.5dBm，輸出三階截點(diǎn)優(yōu)于32dBm。該高線性度低噪聲放大器射頻性能可以滿足5G無線通信系統(tǒng)TDD射頻前端的應(yīng)用需求。