李佳偉 ,李 斌

(1.中國科學(xué)院上海天文臺,上海 200030;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

在天文領(lǐng)域,低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)作為射電天文望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)系統(tǒng)的一個前端元件,對于整個接收機(jī)的噪聲和靈敏度有著至關(guān)重要的影響。由于來自外太空的信號過于微弱且噪聲很大,所以在設(shè)計低噪聲放大器時,不僅要提供較大的增益來放大微弱信號、抑制后級噪聲,還要有非常低的噪聲系數(shù),以盡量降低噪聲的影響。

湘潭大學(xué)劉丹丹等[1]設(shè)計一款工作帶寬為4～18 GHz 的超寬帶低噪聲放大器,增益為15.95～18.73 dB,噪聲小于4.9 dB,最低可達(dá)3.22 dB。電子科技大學(xué)錢可偉等[2]研制一款覆蓋頻率為0.1～2.8 GHz 的低噪聲放大器,增益大于30 dB,噪聲低于1.45 dB。但是在天文領(lǐng)域的應(yīng)用中,因前級天線接收到的信號過于微弱,所以還需要繼續(xù)優(yōu)化噪聲系數(shù)。

單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuits,MMIC)形式研制成的低噪聲放大器可以在超高帶寬上同時保持低噪聲和高增益的性能。同時變組分高電子遷移率晶體管(Metamorphic High-Eletron-Mobility Transistor,mHEMT)又具有高頻、高功率和低噪聲的優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、遙感和天文等領(lǐng)域[3]。故針對上述問題,本文使用法國OMMIC 公司70 nm GaAs mHEMT 工藝設(shè)計了一款工作帶寬0.3～8 GHz 的超寬帶MMIC 低噪聲放大器,全頻段增益大于40 dB,噪聲溫度優(yōu)于65 K。該放大器覆蓋了傳統(tǒng)的P,L,S,C,X 五個天文傳統(tǒng)觀測波段,可以實現(xiàn)厘米波中高頻多個傳統(tǒng)波段的同時觀測,一定程度上減少接收機(jī)的數(shù)量,節(jié)約了射電望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)和運行成本,滿足未來的射電天文發(fā)展對超十倍頻程帶寬的接收性能需求。

1 電路設(shè)計

1.1 噪聲特性及器件選擇

低噪聲放大器一方面需要將從前級天線接收來的微弱信號進(jìn)行放大,同時,另一方面要將功率電平抬高到驅(qū)動后級所需的標(biāo)準(zhǔn)。這就要求低噪聲放大器要具有很低的噪聲和較高的增益。

由低噪聲放大器的噪聲公式[4]:

其中,NFn和Gn(n=1,2,3,…)分別代表第n級的噪聲系數(shù)和增益。通過式(1)可以看到,低噪聲放大器的整體噪聲性能主要取決于第一級的噪聲系數(shù),同時前一級的高增益可以抑制后一級的噪聲。值得注意的是,在天文領(lǐng)域,射電天文望遠(yuǎn)鏡的接收機(jī)對于噪聲性能要求更高,所以人們常常用噪聲溫度Te(單位為K)表征它的噪聲性能。噪聲溫度Te和噪聲系數(shù)NF(單位為dB)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下[4]:

式中:T0=290 K。在選擇晶體管時要顧及噪聲、增益以及駐波比等特性。因為在改變晶體管的柵寬和柵指數(shù)時,晶體管的增益、噪聲和阻抗特性等都會有不同的表現(xiàn)。所以在尺寸選擇時,要根據(jù)設(shè)計指標(biāo)要求,綜合晶體管各特性參數(shù)后謹(jǐn)慎選擇。本文采用OMMIC 工藝自帶的S參數(shù)和噪聲仿真模型,在工藝允許范圍內(nèi)分別對晶體管的柵指和柵寬進(jìn)行掃描。

首先,控制總柵寬不變,來研究不同指數(shù)對于晶體管增益和噪聲的影響,選用2×75 μm 與6×25 μm 兩款總柵寬為150 μm 的晶體管來進(jìn)行仿真,得到結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同指數(shù)晶體管對比。(a)S21參數(shù)對比;(b)噪聲系數(shù)對比Fig.1 Performance comparison of transistors with different fingers.(a)Comparison of S21 parameter;(b)Comparison of noise figure

從圖1 中可以看到,在同樣的偏壓下,晶體管指數(shù)越多,增益與噪聲系數(shù)越小。若是考慮噪聲系數(shù),多指晶體管表現(xiàn)更好,然而多指晶體管也會帶來一些不利因素。當(dāng)電路工作頻率很高時,晶體管的柵指之間就會耦合產(chǎn)生寄生參量,此外多柵指會導(dǎo)致每個指數(shù)與信號源的距離不同,導(dǎo)致輸出相位不一致[5]。根據(jù)本次設(shè)計的0.3～8 GHz 超寬帶低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)要求,結(jié)合OMMIC 的多次流片經(jīng)驗,最終選用2指的晶體管。

接下來控制晶體管指數(shù)相同,對比不同的柵寬,仿真得到的結(jié)果如圖2 所示。通過對2×45 μm、2×60 μm 和2×75 μm 三種晶體管的增益和噪聲系數(shù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),2×75 μm 的晶體管增益較高,但是噪聲系數(shù)相比另外兩個型號表現(xiàn)略差。由圖2 可知,在設(shè)計頻段0.3～8 GHz 內(nèi),噪聲系數(shù)實際相差很小,可以選擇高增益的晶體管,在進(jìn)行電路設(shè)計時,適當(dāng)犧牲部分增益來得到較低的噪聲。故綜合考慮,本次設(shè)計采用的晶體管尺寸為2×75 μm。

圖2 不同柵寬晶體管對比結(jié)果。(a)S21參數(shù)對比;(b)噪聲系數(shù)對比Fig.2 Performance comparison of transistors with different gate widths.(a)Comparison of S21 parameter;(b)Comparison of noise figure

1.2 穩(wěn)定性

在射頻電路中,無論有源器件還是無源器件都是雙向元件,所以在有源電路的輸出端,匹配阻抗會通過晶體管的反向傳輸系數(shù)S12反射回輸入端,如果反射回來的信號相位與輸入的信號源相位相同,便有可能造成電路的震蕩。因此電路的穩(wěn)定性直接影響設(shè)計的電路是否可以正常工作。對于電路的穩(wěn)定性,可以用K指數(shù)來進(jìn)行分析[6]。

由式(3)可以看出穩(wěn)定性系數(shù)K與每個S參數(shù)均有關(guān)系,只有在全頻帶內(nèi)K＞1 且＜1,才可以說這個系統(tǒng)是絕對穩(wěn)定的,也就是無條件穩(wěn)定。通?？梢酝ㄟ^在晶體管源極和地之間串聯(lián)一個電感元件,從而構(gòu)成一個負(fù)反饋電路來提高穩(wěn)定性[7]。在實際的微波電路中,常用一段微帶線來替代電感元件引入少量電感,以滿足電路的穩(wěn)定性要求。

1.3 偏置電路

直流偏置電路的選擇對一個放大器電路來說是十分重要的,一個適當(dāng)?shù)钠秒娐?既要給晶體管一個穩(wěn)定、合適的工作電壓和電流,還會一定程度上參與電路級間匹配。此外,偏置電路還有阻止外界的交流信號進(jìn)入主支路、濾除直流電源的干擾等作用。對于高電子遷移率晶體管(High -Eletron -Mobility Transistor,HEMT),常用的供電方式為單電源供電或雙電源供電。單電源供電是通過源極的負(fù)反饋電阻來調(diào)節(jié)源級偏壓進(jìn)行供電,但是這會消耗直流功率,降低工作效率[1]。故常用雙電源供電結(jié)構(gòu)來對電路進(jìn)行供電。在這種電路拓?fù)渲?漏極和源極分別單獨供電,同時電路中引入電感可以防止主支路上的信號泄露到直流通路中,以提高電路的穩(wěn)定性,同時還常常會引入去耦電容并聯(lián)來進(jìn)一步吸收射頻信號。本次設(shè)計中漏極(Vd)給正電、柵極(Vg)給負(fù)電。注意在芯片測試時供電要嚴(yán)格遵守加電、去電順序,以免損壞電路。

1.4 匹配電路

本文設(shè)計為超寬帶低噪聲放大器,故進(jìn)行電路匹配時要實現(xiàn)寬帶匹配,合理地調(diào)節(jié)電路的增益及平坦度、噪聲和輸入輸出回波損耗。由于第一級的噪聲對整體的噪聲影響最大,低噪聲放大器的第一級通常采用噪聲匹配的方式,同時兼顧一些增益來抑制后級噪聲。級間匹配通常在保證平坦度可接受的范圍內(nèi)盡量抬高增益,同時值得注意的是,由于天文領(lǐng)域?qū)υ肼曇蠛艿?所以在設(shè)計第二級電路時同樣要優(yōu)先考慮噪聲指標(biāo)。最后輸出匹配采用最大增益匹配并且兼顧輸出回波損耗。在實際進(jìn)行電路中各元件參數(shù)調(diào)節(jié)時,往往無法兼顧所有指標(biāo),例如,若是想達(dá)到很低的噪聲溫度,就要犧牲部分增益和輸入回波損耗。因此要根據(jù)實際工程需求進(jìn)行合理的取舍。本次低噪聲放大器設(shè)計以噪聲指標(biāo)作為第一優(yōu)先級,犧牲了部分輸入回波損耗,同時將第一級處的輸入匹配以及第一級的柵極偏壓統(tǒng)一放到片外。

1.5 整體電路

圖3 為本次設(shè)計的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),電路采用三級級聯(lián)來滿足增益的需求,供電方式為雙電源供電,在射頻信號進(jìn)入電路時,一般會先經(jīng)過一個大的隔直電容來濾除直流雜波,降低噪聲。但是本次設(shè)計中,由于頻段相對而言較低,使得輸入部分需要一個很大的電容,這可能會使測試時探針刮蹭對電容造成損傷,同時一個大面積電容會帶來寄生參量的影響,故將輸入端電容連同第一級柵極供電一起放到片外進(jìn)行設(shè)計。在供電支路上的C4～C8這幾個電容可以起到濾波的作用,防止外界信號干擾主支路。電路中漏極的電感L2～L4可以幫助提高電路增益、抑制后級噪聲和調(diào)節(jié)增益曲線形狀。同時漏極上的電感、電阻元件可以起到很好的隔離作用,既能防止有用信號泄露,又可以阻擋外界干擾通過供電支路進(jìn)入主支路。此外電阻可以起到保護(hù)電路、調(diào)節(jié)電壓的作用。漏極處的小電阻r為5 Ω,它可以有效地防止電路振蕩,同時電阻較小不會引入過多的功耗。源極處均采用微帶線代替電感進(jìn)行負(fù)反饋。級間匹配采用LC 和單個電容的匹配方式,合理的取值可以提高電路的整體增益,同時不會對噪聲造成太大的影響。柵極偏壓電路通過一個大的臺面電阻給晶體管提供控制電壓,大電阻還可以起到防止射頻信號泄露進(jìn)入直流通路和優(yōu)化低頻噪聲的效果。輸出部分由一個大的隔直電容C3和一個21 Ω 電阻R1構(gòu)成,很好地解決了輸出匹配問題,同時電阻的加入也會提高電路的穩(wěn)定性。

圖3 LNA 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 The LNA circuit schematic

1.6 版圖設(shè)計

圖4 為本文設(shè)計的版圖結(jié)構(gòu),芯片尺寸為2000 μm×1000 μm(長×寬)。由于在做原理圖仿真時,并沒有考慮器件間的耦合,所以電容的尺寸因素對電路的影響在原理圖仿真時并沒有全部體現(xiàn)在仿真結(jié)果上,因此,需要對電路進(jìn)行版圖布局后進(jìn)行電磁聯(lián)合仿真。這是由于晶體管是一個3D 模型,而使用的電磁仿真軟件只能進(jìn)行2.5D 的平面電磁模擬器仿真,所以無法進(jìn)行完整的電磁仿真[5]。

圖4 LNA 版圖Fig.4 The layout design of the LNA

同時版圖的設(shè)計要考慮布線布局,各個元件的位置和擺放,遵循所使用工藝廠家所提出的設(shè)計規(guī)則。一個好的版圖設(shè)計,不僅要使版圖簡潔、緊湊、美觀,還要盡量與原理圖仿真結(jié)果保持一致,甚至表現(xiàn)出比原理圖更好的仿真結(jié)果。本次版圖設(shè)計時將部分小電感(L2,L4)用一段微帶線來替代,以使版圖更加美觀,同時也減少了電感模型中有空氣橋連接帶來的影響,接地采用OMMIC 工藝中的輔助孔接地,由于過孔會有一定的電感值,所以和微帶線串聯(lián)可以在一定程度上調(diào)節(jié)電路穩(wěn)定性和輸入匹配。此外,在空余的地方盡可能補上一些旁路電容,來減少接地和外界信號帶來的影響。最終將設(shè)計好的版圖進(jìn)行工藝檢查后進(jìn)行流片。

2 仿真結(jié)果

圖5 為S參數(shù)和噪聲溫度的仿真結(jié)果,圖5(a)是原理圖仿真結(jié)果,可以看出,在0.3～8 GHz 頻率范圍內(nèi),除2 GHz 附近有微小波動外,增益均大于40 dB,噪聲溫度在56 K 左右,輸出回波損耗優(yōu)于-10 dB,輸入回波損耗為-4.6 dB。圖5(b)是電磁聯(lián)合仿真結(jié)果,與原理圖仿真相比,在整個工作頻段內(nèi)增益大于40 dB且曲線平滑,在高頻段增益得到顯著提高,在8 GHz處達(dá)到45 dB。輸入回波損耗優(yōu)化為-5.5 dB。噪聲溫度在0.3 GHz 處約為65 K,在8 GHz 處達(dá)到51.4 K,實現(xiàn)了常溫下(300 K)的較低噪聲。在用版圖進(jìn)行模擬仿真時,之所以會出現(xiàn)增益高頻段抬高的現(xiàn)象,是因為在電磁仿真中微帶線模型本身帶有一定的電感值,而電感會起到提高整個電路增益的作用。同時考慮到整個接收機(jī)系統(tǒng),器件之間用傳輸線連接時,傳輸線在高頻處會有較大的損耗,高頻處的高增益可以對其進(jìn)行一定的補償,提高接收機(jī)整體的增益平坦度。本次設(shè)計以低噪聲為主要目標(biāo),對S11參數(shù)做出一定犧牲,可在接收系統(tǒng)其他器件處進(jìn)行補償。

圖5 LNA 仿真結(jié)果。(a)原理圖仿真;(b)版圖仿真Fig.5 Simulation result of the LNA.(a) Schematic simulation;(b) EM simulation

表1 為本文設(shè)計的超寬帶低噪聲放大器與國內(nèi)外文獻(xiàn)的主要指標(biāo)對比?？梢钥吹?在增益和噪聲上,本文的設(shè)計具有一定優(yōu)勢,可以滿足在天文領(lǐng)域的使用要求。

表1 LNA 性能對比Tab.1 Performance comparison of LNA

3 結(jié)論

本研究使用法國OMMIC 公司的70 nm GaAs mHEMT 工藝設(shè)計了一款覆蓋頻率0.3～8 GHz 的單片微波集成低噪聲放大器芯片,該放大器采用三級級聯(lián)、雙電源供電結(jié)構(gòu),芯片尺寸為2000 μm×1000 μm(長×寬)。仿真結(jié)果顯示,在工作頻段內(nèi),增益大于40 dB,噪聲溫度低于65 K,輸出匹配良好,電路無條件穩(wěn)定。本設(shè)計對毫米波器件的自主研究和未來天文領(lǐng)域?qū)Τ额l程帶寬的接收機(jī)研發(fā)有著重要意義。