毫米波单片低噪声放大器的研制

第40卷第3期2010年5月东南大学学报(自然科学版)J OURNAL OF SOUTHEA ST UN I VERSITY (N at u ral S ci ence E diti on)V o.l 40N o .3M ay 2010do i :10.3969/.j issn.1001-0505.2010.03.003毫米波单片低噪声放大器的研制严蘋蘋 陈继新 洪 伟(东南大学毫米波国家重点实验室,南京210096)摘要:采用OMM I C 0 18 m G aA s pHE M T 工艺,研制了两级和三级2种毫米波单片低噪声放大器.以最小噪声度量为设计依据,通过适当提高偏置电流的方法改善毫米波频段的增益,使得放大器在保持噪声系数较小的同时获得较高的增益.两级低噪声放大器采用串联负反馈结合并联负反馈的结构,可以获得比较平坦的增益;三级低噪声放大器采用三级相似的串联负反馈结构级联,可以紧凑结构、在相同的芯片尺寸下获得较高的增益,2种低噪声放大器芯片的尺寸均为1 5mm 1.0mm.测试结果表明,在28~40GH z 频段内,两级低噪声放大器增益最大为15 4dB 、噪声系数最小为3 2dB;三级低噪声放大器增益最大为24 8dB 、噪声系数最小为2 73dB,达到预期目标.关键词:低噪声放大器;砷化镓;毫米波;噪声系数中图分类号:TN72 文献标志码:A 文章编号:1001-0505(2010)03 0449 05Design and implem ent ation ofm onolit hicm illim eter wave l ow noise a m plifiersY an P i n p i nChen Jix inHong W e i(S tat e K ey L aboratory of M illi m et erW av es ,S out h eastUn iversity ,N an ji ng 210096,C h i na)Abst ract :Tw o m illi m eter w ave low no ise a m p lifi e rs (LNA )are designed and i m p le m ented w it h anOMM I C 0 18 m G aA s pHE M T (pseudom o rphic h igh e l e ctr on m obility transistor)process .The a m p lifi e rs are designed based on m i n i m um no ise m ea sure ,and a m ethod o f i n creasi n g bias current is adopted to i m prov e t h e ga i n .Thus the LNA can ob tain h igher g ain w hile keeping a l o w no ise figure at a m illi m eter w ave frequency band .The t w o stage LNA uses seri e s and paralle l feedback in d iffer ent stag es to ach ieve flat ga i n .The three stage LNA uses three series feedback stages to ach i e ve high ga i n i n the sa m e ch i p size .The ch i p sizes of bo t h the LNA s are 1 5mm 1.0mm.I n the frequency range o f 28to 40GH z ,t h e t w o stage LNA achieves a m ax i m u m ga i n of 15 4dB and a m ini m u m no ise fi g ure o f 3 2dB ,and the three stage LNA ach ieves a m ax i m um ga i n o f 24 8dB and a m i n i m u m no ise figure o f 2 73dB.A cco rding to the test resu lts ,the a m plifiers can operate w ell a t 28to 40GH z .K ey w ords :l o w no ise a m plifier ;G a A s ;m illi m eter w ave ;no ise fi g ure 收稿日期:2009 10 10. 作者简介:严蘋蘋(1978 ),女,博士,讲师,ppyan @e m fi el d.o rg .基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2010CB 327405)、国家自然科学基金委创新研究群体科学基金资助项目(60921063).引文格式:严蘋蘋,陈继新,洪伟.毫米波单片低噪声放大器的研制[J].东南大学学报:自然科学版,2010,40(3):449 453.[do:i 10.3969/.jiss n.1001-0505.2010.03.003]放大器广泛应用于微波毫米波无线通信、雷达、射电天文等系统中[1 2],其性能对整个系统有着十分重要的影响.低噪声放大器通常位于接收机的第1级[3],面临包含各种噪声的微弱信号,必须有足够低的噪声系数,同时提供适当的增益,以保证信号的正确接收.早期的微波毫米波放大器依赖于速调管和行波管等电子管器件[1 2].自20世纪70年代以来,随着固态器件的发展,放大器开始采用晶体管器件,如G a A s或I nP FET,G a A s HE M T, G a A s p HE M T,S i或Si G e B JT等,其中pHE M T由于具有良好的增益和噪声特性,广泛应用于低噪声放大器的设计中[3 8].但是pHE M T的最佳噪声阻抗匹配点和增益匹配点往往相差较远,并且在低频段存在不稳定性,因此在设计时需要综合考虑增益、稳定性和噪声系数这3个重要指标[2 4].本文设计了2种面积相同而结构不同的低噪声放大器,在设计中通过适当提高放大管的偏置电流来改善毫米波频段的增益,从而使放大器在保持噪声系数较小的同时获得较高的增益;采用串联负反馈和并联负反馈结构,改善放大器的稳定性,同时获得良好的噪声匹配和增益匹配.其中两级低噪声放大器采用串联负反馈结合并联负反馈的结构,在28~40 GH z频段内,增益为13~15 4dB、噪声系数最小为3 2dB;三级低噪声放大器采用三级相似的串联负反馈结构级联,在29~40GH z频段内,增益最大为24 8dB、噪声系数最小为2 73dB.1 电路设计OMM I C ED02AH工艺提供了2种类型的p HE M T,分别是耗尽型与增强型.耗尽型管虽然需要偏置负电,但是通过对耗尽型p H E M T和增强型p HE M T构成的放大器电路进行容差分析,结果显示在高频段ED02AH工艺中的耗尽型管相对于增强型管在一致性和成品率上有明显优势,所以在设计时采用耗尽型pHE M T.在选择管子的宽度时,考虑到大尺寸管可以提高信噪比,但是另一方面,单位栅宽越大意味着栅极电阻越大,从而增加噪声系数[3].所以综合考虑之后,在设计中选取管子的尺寸为6 25 m.对于放大器而言,偏置点的选取非常重要.对于低噪声放大器的设计,一般偏置电流设为10% I d ss左右[2].此时,对于工作频段比较低的放大器,其增益与偏置在50%I dss时相比没有明显恶化,可以得到良好的噪声和增益性能[9].但对于工作在毫米波频段的放大器,在较低的偏置电流下增益会明显下降,所以需要适当提高偏置电流.本文所设计的低噪声放大器工作于30~40GH z,已逐渐接近工艺的截止频率(65GH z),此时增益、噪声等指标均会有所减退,需要在设计中予以考虑.本文在设计中采用了最小噪声度量M m in作为依据,选取适当的偏置电流以提高放大器的综合性能指标.最小噪声度量为[2,9]M m in=F ca s-1=F m in-11-1/G(1)式中,F m in为最小噪声系数;G为放大器的增益.表1给出了频率为35GH z和40GH z时,不同偏置电流情况下放大管的最小噪声度量,可以看出在偏置电流为20%I d ss~40%I d ss时,可以获得最小噪声度量.由于偏置电流较大时放大器的增益较高,在设计中选取放大器的偏置电流为40%I dss左右.表1 不同偏置电流情况下放大管的最小噪声度量偏置电流f=35GH z f=40GH z10%I dss0 570 7220%I dss0 500 6030%I dss0 500 6040%I dss0 510 6050%I dss0 530 6360%I dss0 570 67图1(a)所示为两级低噪声放大器的电路原理图,第1级低噪声放大器采用源极串联负反馈,在获取低噪声的同时保持了良好的输入匹配与一定的增益.第1级的增益随频率的上升逐渐下降;在第2级设计中采用并联负反馈结构,通过调节并联支路与输入输出匹配电路,使得第2级增益在工作带宽内呈现逐渐上升的趋势,使得工作频段内级联放大器的增益较为平坦.并联反馈支路从漏极至栅极,由电阻、电感与隔直电容串联而成.两级低噪声放大器中采用的串联负反馈和并联负反馈都可以增加电路的稳定性.三级低噪声放大器的电路原理如图1(b)所示,放大器由三级结构相似的晶体管级联而成,每一级在源极采用感性负反馈,在获取低噪声的同时保持了良好的输入匹配与一定的增益.三级结构相似,可以简化设计.设计中没有采用并联负反馈,虽然不能实现平坦的增益,但是可以提高所需频段的增益和降低噪声系数,同时可以减小芯片面积.在设计过程中需要保持全频段的稳定性,同时要综合考虑噪声系数、输入输出匹配以及增益等指标.图1 低噪声放大器原理图450东南大学学报(自然科学版) 第40卷2 仿真结果采用A g ilentAD S 软件和OMM I C 提供的工艺库对2种放大器芯片进行仿真与优化.图2为两级低噪声放大器的S 参数和噪声系数N f 仿真结果.由图2可知,f =30~40GH z 时,两级放大器的增益大于10 6dB 、噪声系数小于3dB .通过仿真还得到两级放大器在f =30~40GH z 频段内输出1dB 压缩点大于9dBm.图3给出了三级低噪声放大器的S 参数和噪声系数仿真结果.由图3可知,f =30~40GH z 时,三级放大器的增益大于13 7dB 、噪声系数小于3dB.此外,仿真得到f=30~40GH z 频段内三级放大器输出1dB 压缩点大于13dBm.图2 两级低噪声放大器仿真结果3 芯片测试设计的芯片在OMM I C ED02AH 工艺线上流片实现,图4为芯片实物显微照片,芯片尺寸均为1 5mm 1.0mm.采用SU SS P M 5探针台对芯片进行了在片测试.设置V d 为+3V,两级和三级低噪声放大器工作电流分别约为30和45mA.下面分别给出各项测试结果.采用A g ilent E8363B 矢量网络分析仪测试2种低噪声放大器的S 参数,图5为测试环境.图6和图7分别给出了低噪声放大器S 参数的测试结果,以及S 参数测试与仿真结果的比较.f =28~40GH z 时,两级低噪声放大器的增益大于13dB ,最大增益为15 4dB ,测量增益比仿真结果略大.三图3 三级低噪声放大器仿真结果图4 低噪声放大器芯片显微照片级低噪声放大器的最大增益为24 8dB (29 5GH z);f=25 2~40GH z 时,增益大于12dB;f =27~32GH z 时,增益大于20dB.2种低噪声放大器的输入与输出反射系数均差于仿真结果,这可能与仿真模型在毫米波段的准确性以及测试误差有关.采用A g il e nt R347B 噪声源(f =26 5~40GH z)和Ag ilen tE 4447A 频谱分析仪(配置噪声系数测量选件),测试2种低噪声放大器的噪声系数.图8给出了噪声系数的测试结果,f =28~40GH z 时,两级低噪声放大器的噪声系数小于4 07451第3期严蘋蘋,等:毫米波单片低噪声放大器的研制图5 低噪声放大器测试环境dB;f=31 9GH z 时,噪声系数为3 2dB .f=29~40GH z 时,三级低噪声放大器的噪声系数小于3 53dB;f=33 25GH z 时,噪声系数为2 73dB.测试结果略大于仿真结果.采用A g il e nt E8257D 信号发生器和E4447A 频谱分析仪,测试放大器的1dB 压缩点.f =30GH z 时,两级低噪声放大器的输出1dB 压缩点约为9dBm,三级低噪声放大器的输出1dB 压缩点约为12dBm,测试结果接近仿真结果.图6 低噪声放大器S参数测试结果图7 低噪声放大器S 参数测试与仿真结果对比图8 低噪声放大器噪声系数测试结果4 结语采用OMM I C 0 18 m G a A s pHE M T 工艺,设计了2种毫米波单片低噪声放大器,这2种放大器芯片尺寸相同,但是电路结构有所不同.其中,两级低噪声放大器采用串联负反馈结合并联负反馈的结构,可以获得比较平坦的增益;三级低噪声放大器采用三级相似的串联负反馈结构级联,可以紧凑结构、在相同的芯片尺寸下获得较高的增益.在设计中,以最小噪声度量为依据,适当提高放大管的偏置电流,得到的2种毫米波频段放大器噪声系数较小、增益较高.在工艺条件一定的情况下,采用该方法可有效地改善低噪声放大器在毫米波频段的性能.本文中给出了这2种低噪声放大器的电路设计过程以及详452东南大学学报(自然科学版) 第40卷细的测试数据,达到了设计的预期目标.感谢东南大学章丽、王蓉、李伟和李芹等老师在多项目晶圆芯片项目上所提供的帮助.参考文献(References)[1]D av idM P.M icrow ave eng i neer i ng[M].张肇仪,等译.3版.北京:电子工业出版社,2006.[2]R oberts o n I D,L ucy szy n S.RF IC and M M IC desi gnand techno l o gy[M].L ondon:IEE,2001.[3]陈继新.微波毫米波电路的集成新技术研究[D].南京:东南大学信息科学与工程学院,2006.[4]李芹,王志功,熊明珍,等.X波段宽带单片低噪声放大器[J].固体电子学研究与进展,2005,25(2):211 214.L iQ i n,W ang Z h igong,X i ong M i ngzheng,e t a.l D e si g n o f X band broadband low no ise am plifier M M IC[J].Resea rch&P ro g ress o f So lid State E lectron ics,2005,25(2):211 214.(i n Ch i nese)[5]M asud M A,Z irat h H,K ell y M.A45 dB v ariab l e g a i nl ow no ise MM IC a m p lif i er[J].IEEE T ransa ctions o n M icrow ave Theo ry and T echn i que 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