葉波濤

（中國船舶重工集團(tuán)公司第八研究院，江蘇 揚(yáng)州225001）

最近一段時(shí)期以來，單片微波式集成電路（monolithic microwave inte-grated circuit，MMIC） 由于其體積小巧、集成程度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)取得了迅速的發(fā)展以及進(jìn)步，逐步替代了常規(guī)的混合型集成電路。伴隨著5G移動(dòng)通信技術(shù)的高速進(jìn)步，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)中需要同時(shí)傳輸音頻、視頻及圖像等大容量的數(shù)據(jù)信息，對(duì)超大帶寬的需求持續(xù)提升[1]，為此在確保放大器噪音較低、功耗較低、增益較高、尺寸較小等條件的基礎(chǔ)上，拓展低噪音放大器（low noise amplifier，LNA）的帶寬已經(jīng)成為相關(guān)工程技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)問題。

現(xiàn)階段，世界各個(gè)領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)者針對(duì)高寬帶的低噪音放大器實(shí)施了一系列深入的科學(xué)研究，拓展低噪音放大器在電路的主體構(gòu)造上可以分成反饋模式、分布模式、平衡模式等等，反饋模式以及平衡模式的拓展低噪音放大器的帶寬相對(duì)來講比較狹窄，而平衡式拓展低噪音放大器的整體結(jié)構(gòu)尺寸比較大。分布模式（distributed）的結(jié)構(gòu)模式具備頻帶較寬、駐波比較小、電路系統(tǒng)的魯棒性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，不過在超大的寬帶區(qū)間之內(nèi)，功耗較大、噪音系數(shù)較高、結(jié)構(gòu)尺寸較大等問題還需進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。應(yīng)用CMOS工藝方法規(guī)劃設(shè)計(jì)分布模式的拓展低噪音放大器時(shí)，介質(zhì)的損耗程度將會(huì)伴隨著頻率的增加而漸漸惡化，在超大的寬帶區(qū)間之內(nèi)，無法同時(shí)達(dá)到較高的功率以及較低的噪音效果。GaAs單元的元器件載流子的遷移比率以及襯底的電阻率相對(duì)較大，因此具備了增益較高、噪音較低等的功能和效果，為此本文的設(shè)計(jì)試驗(yàn)過程選取的是臺(tái)灣的穩(wěn)懋公司開發(fā)的0.13μm制程的GaAs PHEMT工藝方法，開發(fā)出一類功耗較低、噪音較低、7倍頻程的分布模式的低噪音放大器設(shè)備。

1 分布模式放大器的基本原理

放大器的基本工作原理指的是將輸入及輸出的電感、電容單元分別導(dǎo)入到輸入以及輸出的微帶線系統(tǒng)之內(nèi)，借助諸多微帶線系統(tǒng)及晶體管組成有損的微帶線系統(tǒng)，如果在微帶線系統(tǒng)的負(fù)載和相關(guān)的特征阻抗達(dá)到可以互相匹配的情況下，可以視作沒有頻率限制的有損分布平均的微帶線系統(tǒng)，此時(shí)的數(shù)據(jù)信號(hào)為行波的模式在微帶線系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行傳送。如果在輸入以及輸出的微帶線系統(tǒng)的傳輸相速度保持一致的情況下，輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)將在晶體管內(nèi)部得到放大的效果，在比較理想的情況之下，組成沒有特定頻率約束限制的分布模式放大器裝置，因此分布模式的放大器裝置具備頻帶較寬以及駐波比相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)，其中n級(jí)的分布模式放大器裝置的簡化模型示意圖如圖1所示，其中的Zg與Zd分別指的是柵極與漏極的微帶線系統(tǒng)的特性阻抗數(shù)值，lg與ld分別指的是柵極與漏極微帶線系統(tǒng)的長度數(shù)值。

圖1 n級(jí)分布模式放大器裝置簡化模型示意圖

把系統(tǒng)的電路拆分成為柵極傳輸線及漏極傳輸線分別實(shí)施研究，單元柵極線系統(tǒng)以及單元漏極線系統(tǒng)的等效電路模型示意圖如圖2所示。在忽略系統(tǒng)損耗的條件下，該電路系統(tǒng)的柵極線以及漏極線的特性阻抗的表達(dá)式如式（1）和式（2）所示。

圖2 單元等效電路模型示意圖

式中的Lg與Ld分別指的是單元的長度柵極與漏極的電感數(shù)值，Cg與Cd分別指的是單元長度柵極與漏極的電容數(shù)值，αg和αd分別指的是柵極部分以及漏極部分的衰減程度的系數(shù)。在理論情況下，系統(tǒng)增益G與級(jí)數(shù)的最理想的數(shù)值Nopt如式（5）和式（6）所示。

根據(jù)式（5）與式（6）可以看出，增益數(shù)值將會(huì)伴隨著級(jí)數(shù)數(shù)值N的增大而持續(xù)增加，然而放大器裝置的柵極與漏極的微帶線系統(tǒng)會(huì)發(fā)生電阻相關(guān)的能量消耗，隨著輸入電信號(hào)微帶線離輸入信號(hào)端的距離越遠(yuǎn)，得到的電信號(hào)將會(huì)越弱，如果持加大晶體管的單元級(jí)數(shù)數(shù)量無法提升系統(tǒng)的增益，所以電路系統(tǒng)存在著一個(gè)最佳的工作級(jí)數(shù)數(shù)值。這個(gè)最佳級(jí)數(shù)數(shù)值Nopt和系統(tǒng)中晶體管的相關(guān)參量值、晶體管的工作頻率及微帶線的特性阻抗數(shù)值存在著相關(guān)性。放大器裝置的相關(guān)指標(biāo)不但要求增益數(shù)值較高，另外必須照顧到噪音系數(shù)、回波損失、功率損耗、芯片單元的結(jié)構(gòu)尺寸等條件的制約，經(jīng)過全方位的考慮，分布模式放大器裝置應(yīng)用了6級(jí)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)形式[2]。

2 電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

通常在26GHz之下的情況，柵寬的數(shù)值越大，噪音系數(shù)也相應(yīng)越大，并且系統(tǒng)中的晶體管的跨導(dǎo)數(shù)值將會(huì)相應(yīng)提升，增益數(shù)值隨之增大，不過隨著柵源的電容數(shù)值的增加，晶體管截止頻率數(shù)值降低，柵指的NOF數(shù)值取3，各種柵寬的增益數(shù)值以及NFmin的變化狀態(tài)情況如圖3所示。在晶體管單元的柵寬取值為（2×100）μm時(shí)，跨導(dǎo)數(shù)值較大，不過總體的噪音系數(shù)較大，在晶體管柵寬取值為（2×25）μm時(shí)，跨導(dǎo)數(shù)值較小，提升漏極的電壓增益和晶體管的功率損耗，全方位綜合對(duì)比分析之后，選取3個(gè)（2×55）μm制程的晶體管單元，采用Agilent公司開發(fā)的ADS（Advanced De-sign System）相關(guān)程序軟件2018實(shí)施靜態(tài)的直流工作節(jié)點(diǎn)仿真模擬分析，最后確定Vg1=-0.25V，Vg2=1.5V，Vd=2.55V，電流的消耗量為71.5mA。本設(shè)計(jì)涉及的多級(jí)分布模式放大器裝置，有效地預(yù)防了放大器可能出現(xiàn)的自激勵(lì)情況，確保了其處在絕對(duì)穩(wěn)定模式下運(yùn)行。

圖3 各種柵寬的增益數(shù)值以及NFmin的變化狀態(tài)情況對(duì)比圖

一般來講，單級(jí)的共源構(gòu)造的分布模式放大器裝置的增益數(shù)值是9.5dB左右，如果應(yīng)用共源型共柵（Cascode）的主體構(gòu)造進(jìn)行拓展低噪音放大器的放大級(jí)的高增益效果，共柵級(jí)的晶體管單元位于頻率較高的區(qū)間將會(huì)發(fā)揮負(fù)阻抗的效應(yīng)，用來補(bǔ)償由于漏極的微帶線而發(fā)生的能量損失，可以顯著提高高頻區(qū)間的增益數(shù)值，降低增益圖形的平坦程度，拓展帶寬范圍，去除第2級(jí)晶體管單元特有的密勒效應(yīng)，降低第1級(jí)晶體管單元特有的密勒效應(yīng)。將共源及共柵的主體結(jié)構(gòu)使用在分布模式的拓展低噪音放大器中，在加大比較小芯片面積的前提之下，較大地提升了拓展低噪音放大器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，Cascode分布模式放大器裝置的簡化電路如圖4所示。

圖4 Cascode分布模式放大器裝置的簡化電路圖

在共源的晶體管單元的源極增加小型電感裝置L1、2個(gè)晶體管單元之間的電感L2及輸出的峰值電感L3可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)帶寬與增益數(shù)值的增大，因?yàn)殡姼袛?shù)值均為PH的數(shù)量級(jí)，使用微帶線系統(tǒng)替代電感單元用來壓縮芯片的總體空間體積。共柵的晶體管單元在柵極位置并聯(lián)上1個(gè)去耦形式的電容C，用以調(diào)整系統(tǒng)的高頻部分的增益波動(dòng)程度，拓展帶寬的區(qū)間，有效去除自激勵(lì)情況，確保電路的運(yùn)行穩(wěn)定性[3]。

3 結(jié)果的驗(yàn)證及總結(jié)

仿真工作完成之后會(huì)進(jìn)行版圖的規(guī)劃設(shè)計(jì)，電路版圖外形尺寸為（2.15×1.25）mm，應(yīng)用ADS程序軟件實(shí)施分析并且設(shè)計(jì)模型，版圖聯(lián)合仿真結(jié)果如試驗(yàn)結(jié)果所示，位于運(yùn)行頻率（0.85～31.5）GHz以內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)的增益數(shù)值為（15.5±1）dB，平坦程度比較小，輸入以及輸出的回波損失均＜-10.5dB，電路結(jié)構(gòu)的整體回波損失滿足相關(guān)要求，噪音系數(shù)達(dá)到2.15dB，如果＞30.15GHz的時(shí)候，噪音系數(shù)將大幅度增加，增大柵極部分的電容C的數(shù)值，減少此頻段的噪音系數(shù)值，不過相關(guān)的增益將會(huì)出現(xiàn)尖峰，選取1個(gè)合適的電容數(shù)值，在15.5GHz的時(shí)候，1.5dB壓縮節(jié)點(diǎn)的輸出功率＞10.5dBm，線性程度優(yōu)良。為了實(shí)現(xiàn)拓展低噪音放大器的寬帶大、功率損耗低的優(yōu)勢，應(yīng)用GaAs PHEMT工藝制程開發(fā)的超大寬帶拓展低噪音放大器具備7個(gè)倍頻的運(yùn)行頻率段，覆蓋了（P～Ka）范圍的波段，最大的噪音系數(shù)＜3.15dB，電路總體的功率損耗達(dá)到175.15MW，性能相對(duì)理想。

4 結(jié)論

綜上所述，本文應(yīng)用0.13μmGaAs PHEMT制程工藝方法，用共源及共柵單元為放大端，開發(fā)了（0.85～30.15）GHz分布式LNA，版圖結(jié)合仿真模擬符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，在運(yùn)行頻率（0.85～30.15）GHz范圍內(nèi)，增益數(shù)值為15.5dB，噪音系數(shù)＜3.15dB，模塊的面積是2.85mm2，功率損耗是175.15MW，在確保各類指標(biāo)達(dá)標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)7倍頻程。能廣泛投入在衛(wèi)星、波導(dǎo)通信等行業(yè)。