X波段单片低噪声放大器芯片

X波段单片低噪声放大器芯片①

彭龙新1,23,周正林2,蒋幼泉2,林金庭2,魏同立1

(1.东南大学微电子中心,江苏南京210096;2.南京电子器件研究所,江苏南京210016)

摘要:报道了X波段0.5μm G aAs PHE MT全单片低噪声放大器芯片。该放大器芯片由四级级联放大电路构成。芯片面积为2.43×1.85mm2。该放大器芯片在通带内测试结果为:在工作条件V D=5V(I D≤100mA)下,增益>26dB,噪声系数≤2.2dB,输入、输出电压驻波比<1.6∶1,平坦度≤±1dB,1dB压缩功率≥15dB・m,相位一致性≤±3°,幅度一致性≤±0.5dB。芯片尺寸为2.43mm×1.85mm。

关键词:微波单片集成电路;赝配高电子迁移率晶体管;低噪声放大器

中图分类号:T N722.3 文献标识码:A 文章编号:0258-7076(2004)03-0484-03

随着M MIC技术的日趋成熟,M MIC元件体积小、重量轻、可靠性好、一致性好、成本低等优势得到了充分的发挥。这为相控阵雷达的小型化、实用化提供了保证。本文报道的X波单片段低噪声放大器,其噪声系数小,增益高,输入输出电压驻波好,相位线性度好,幅相一致性好,成品率高,可批量生产,其性能指标完全满足相控阵雷达T/R 组件的要求。

1　电路设计及单片工艺

该单片低噪声放大器的电路设计中采取了集总和分布参数电路混合匹配。为了实现大于26dB 的增益,该单片采用了四级级联放大电路。第一级电路主要解决噪声系数,功率增益和输入驻波比。第二级电路主要解决功率增益匹配同时兼顾噪声系数。三、四级电路主要解决功率增益匹配和输出驻波比。为了使用方便,每一级都采用自偏电路设计。该放大器输入输出端通过电容隔直,可靠性高。电路原理图见图1。在PHE MT源端增加电感引入串联反馈,这样,放大器获得低噪声系数的同时也有良好的电压驻波比。由于串联的电感比较小,用一段终端短路的微带线即可。为了使芯片在较宽带宽范围内获得比较平坦的增益,同时实现小于1.5∶1的输入输出电压驻波比,电路中每一级都采用了有耗匹配。在电路设计过程中,充分考虑了工艺公差对电路的影响,允许每个元件在其工艺

公差范围内变化,从而保证了产品有较高的成品率。利用微波在片测试系统测量了小信号参数,并由S参数建立了小信号模型。利用噪声技术提取了PHE MT的噪声参数,并建立了噪声模型。

由于PHE MT具有2DEG,提高了器件的跨导,保留了G aAs表面,减小了工艺敏感等优点,所以我们选择PHE MT作为有源器件。PHE MT栅长0.5μm,第一级PHE MT栅宽300μm,中间级的PHE MT栅宽为450μm,末级PHE MT栅宽为600μm,这一组合可以在有效降低放大器工作电流同时获得较大的输出功率。电路中的电阻是金属膜电阻,其准确性与一致性好。电路中电容为MI M 电容和叉指电容。

为了减小热阻、便于背面通孔,将芯片减薄到100μm。PHE MT栅电极上用T iPtAu合金,源、漏欧姆接触合金采用AuG eNi。用SiN做钝化材料

。

图1　电路原理图

Fig.1　Circuit schematic diagram

第28卷　第3期V ol.28№.3

稀　有　金　属

CHI NESE JOURNA L OF RARE MET A LS

2004年6月

June2004

①收稿日期:2003-04-20;修订日期:2003-08-18

作者简介:彭龙新(1962-),男,江西莲花人,博士研究生,高级工程师;研究方向:微波毫米单片集成电路(M3IC)设计与测量3通讯联系人(E2mail:eleplx@)

采用标准的M BE 技术和步进光刻保证了同一批次、批次与批次之间的高度一致性。

2　测试结果

用Agilent 8720ES 矢量网络分析仪测量放大器的S 参数,用HP 8970B 噪声测试系统测量放大器的噪声系数,用Agilent E4419B 功率计和Agilent 83752B 频率扫描源构成的系统测量放大器芯片1dB 压缩功率。图2是某一放大器的小信号S 参数,

该放大器的噪声参数和1dB 压缩功率见表1。f 为输入信号源频率,NF 为噪声系数,P -1为1dB 压缩功率,P -1in 是输出1dB 压缩功率时的输入功率。

该X 波段单片低噪声放大器芯片10个样品的幅度、相位和噪声系数情况如图3～5所示。各样品在9,9.3,9.6,10,10.3GH z 各频率点上的最大增益和最小增益分别约相差0.8,0.8,0.8,017,0.5dB ,因此该单片放大器的幅度一致性小于±0.5dB 。由图4可以看出样品在9,9.3,9.6,10,10.3GH z 各频率点上的相位分别集中在-103°,-163°,133°,53°,-6°附近,因此该单片的相位一致

性比较好。由图5可以看出各单片在其通带内的噪声系数均小于2.2dB ,有个别的芯片在带内的最小噪声系数达到1.9dB 。该单片在

125℃,V D 加+5V ,工作200h 后的增益和噪声系数如图6所示。实

验后的增益比实验前的略有上升,噪声系数在实验前后基本吻合。

图2　测量的小信号S 参数(V D =5V ,I D =90mA

)

Fig.2　Measured S 2parameters (V D =5V ,

I D =90mA

)

图3　10个样品的幅度一致性情况

Fig.3　C onsistency of amplitude of 10LNA chips

图4　相位一致性

Fig.4　C onsistency of phase of 10LNA chips

图5　10个样品的噪声系数

Fig.5　N oise figure of 10LNA chips

表1　测量的噪声系数、1dB 压缩输出功率(V D =5V,

I D =90mA)

T able 1　Measured noise figure and P 1dB of the L NA

(V D =5V,I D =90mA)

f /G H z 9.09.29.49.69.810.010.3N F/dB

2.03 1.93 1.90 1.93 1.97 2.01 1.99P -1/(dB ・m )15.4

15.5

16.2

16.4

16.5

16.5

16.2

P -1in /(dB ・m )

-8.9-9.6-9.2-9-8.9-8.6-9.0

5

843期 彭龙新等　X 波段单片低噪声放大器芯片