第3章毫米波固态电路20140330-毫米波放大器-2

电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.2. 3.4 MMIC 宽带功率放大器
（2）分布式（行波式）宽带放大器
原理:
把晶体管的输入/输出电容和输入/输 出电阻都吸收到输入/输出传输线中，由 多条传输线和多只晶体管构成分布式有损 人工传输线。 只要传输线负载和传输线特性阻抗匹 配，它就相当于无频率限制的有损均匀传 输线，使得微波以行波方式在这个传输线 中传输。 如果设计合理，输入传输线和输出传 输线相位一致，就能使得微波传输过程中 由晶体管逐次放大，构成没有频率限制的 放大器。 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.2.3.3 MMIC 低噪声放大器
（3）稳定性设计
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3.2.3.3 MMIC 低噪声放大器
（4）低功耗设计
1.自偏置
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18～40GHz
3.2.3.3 MMIC 低噪声放大器
（4）低功耗设计
2. 堆垛(stack)偏置
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3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（2）结构设计
A.树状结构
流片 测试
指标
工艺 选取
Pin
Pout
大信 号设 计
小信 号设 计
电路 结构
优点：功率合成电路、匹配电路和偏置三者合 一、节省电路面积。 缺点：大量级间匹配和偏置电路设计难度加大、 并联晶体管之间可能产生奇模振荡。 APH631,92 -96GHz,25dBm 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
1 G G Gn 1 G GG 1 1 1 2 1 2 IP31 IP32 IP33 IP3n
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3.2.3.1毫米波放大器概述
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
指标 流片 测试 工艺 选取
P4
S21
2

1 L
2
1 1
2 2 2 s 2 2


2
1 1

2
Z0
电路
Zs Zin Γ sΓ 1
Zout ZL Γ 2Γ L
来自百度文库
1 S22 1 s 1 2
2
S21 1 s 1 L P2 Gt 2 2 P 1 S22 L 1 s 1 1a
3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（2）结构设计
3、功率分配和合成网络选择
输入输出阻抗低、难 以匹配；各馈线的相 位对器件合成有影响， 从而影响输出功率。 所以只适用于低频或 大功率下需要热分散 处理情况。
并联器件
为了尽量减少单元FET输出功率相位误差，通常需要采 用功率分配和合成技术。
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3.2.3 毫米波MMIC放大器设计
二、MMIC 放大器电路设计 1、放大器概述 2、MMIC 功率放大器设计 3、MMIC 低噪声放大器设计
4、MMIC 宽带放大器设计
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3.2.3.1毫米波放大器概述
(一)放大器技术指标
1. 频率/带宽； 2. 输出功率（增益放大器、中功率放大器和高功率 放大器）及效率; 主要针对LNA 3. 反射系数； 4. 功率增益； 5. 噪声系数； 6. 动态范围； 7. 增益平坦度； 主要针对毫米波 8. 线性度； 通信
流片 测试
指标
工艺 选取
大信 号设 计
小信 号设 计
电路 结构
成本、频率、 功率密度
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3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（2）结构设计
1、选择末级栅宽
流片 测试 指标
工艺 选取
大信 号设 计
小信 号设 计
电路 结构
增益影响因 素：寄生参 数、栅指间 相位误差、 热效应。
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3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（2）结构设计
2、放大器级数
增益和效率
流片 测试 指标
工艺 选取
大信 号设 计
小信 号设 计
电路 结构
前级增益越高，整体效率越高，但需选择小栅宽， 但又容易功率压缩，因此需要折中，通常P1dB 回退3dB。 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
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3.2. 3.4 MMIC 宽带功率放大器
4、MMIC 宽带功率放大器
（1）平衡式宽带放大器 （2）分布式（行波式）宽带放大器 （3）反馈式宽带放大器 （4）有源匹配式宽带放大器 （5）有损匹配式宽带放大器
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3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（2）结构设计
A.树状结构——并联匹配网络
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3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（2）结构设计
A.树状结构——并联匹配网络
优点：结构紧凑、设 计简单、损耗小； 缺点：带宽~20%
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3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（2）结构设计
3、功率分配和合成网络选择 要求： 1、插损 2、尺寸 3、偏置 4、带宽 5、偏置兼容性 6、奇模稳定性
根据合成网络分类： 1、Wilkinson (树状结构) 2、合成变换网络(树状结构) 3、并联匹配网络(树状结构) 3、总线合成网络（总线结构） 4、Lange耦合器（平衡结构） 5、分布传输线合成 …
3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（2）结构设计
B.总线结构
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3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（2）结构设计
B.总线结构
TGA4516,30 40 GHz,2W
优点：可提供大电流、消 除奇模振荡、结构紧凑； 缺点：带宽~20%，必须 三维场仿真。 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
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3.2.3.1毫米波放大器概述
（一）放大器技术指标
（3） 线性度
对一个功放进行线性度的衡量，一 般有三个非常重要的指标：1dB压缩点 输出功率、三阶交调（IM3）和三阶截 断点（IP3）。
21 2 22 1
IP3all
3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（4）大信号设计
3、热设计
基片减薄
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3.2.3.3 MMIC 低噪声放大器
3、MMIC 低噪声放大器
（1）晶体管的噪声特性
不同尺寸FET的最小噪声系数（PH25）
不同尺寸FET最佳反射系数（PH25）
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3.2.3.1毫米波放大器概述
(一)放大器技术指标
（1） 功率增益
P Gp 2 P 1 S22 L 1
P Ga 2 a P 1a S21
2
P3 Z0
2
P1
输入 匹配
P2 a1 a2 微波 b1 器 件 b2 [S]
输出 匹配 电路
3.2. 3.4 MMIC 宽带功率放大器
（2）分布式（行波式）宽带放大器
由于放大器内部寄生参数 （Ri,Rds）引入的损耗，放 大器的最佳FET管芯数为4~ 6只。
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3.2. 3.4 MMIC 宽带功率放大器
（2）分布式（行波式）宽带放大器
两根人工传输线的截 止频率不同
两根人工传输线的相 速不同 输出电感补偿
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3.2. 3.4 MMIC 宽带功率放大器
(2) 分布式（行波式）宽带放大器
传统分布式行波放大器的缺点: 虽然行波放大器大大拓宽了带宽，但是由于一半的电流被 负载吸收，降低了放大器的整体效率。 由于损耗的存在，增益收到一定的限制。 在输出传输线上，由于电流左右电流波的共同作用，线上 分布电压不均匀，工作状态也将随频率变化而变化，影响电 流相位变化，影响输出性能。
3.2.3.3 MMIC 低噪声放大器
（2）输入匹配
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3.2.3.3 MMIC 低噪声放大器
（3）稳定性设计
低噪声放大器最求 高 增益，因此在低 频段的时候增益会 更高，从而需要降 低低频增益。 栅极并联稳定电阻， 但恶化噪声
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3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（4）大信号设计
1、输出匹配设计
流片 测试 指标
工艺 选取
大信 号设 计
小信 号设 计
电路 结构
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3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（4）大信号设计
2、整体电路优化
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3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（2）结构设计
A.树状结构——合成变换网络 TGA4516,30 - 40 GHz,2W
设计采用滤波器合成方法，使得合成网络具有带通特性，然后转换成微带 和电容结构，可实现一个倍频程的带宽，可能会需要适当的匹配。缺点是 设计复杂 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.2.3.1毫米波放大器概述
(一）放大器技术指标
（2） 噪声系数
S /N NF in in S out / N out
NF (dB) 10lg( NF )
Sin，Nin分别为输入端的信号功率和噪声 功率； Sout，Nout分别为输出端的信号功 率和噪声功率。
NF2 1 NF3 1 NF=NF1 G1 G1G 2
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3.2.3.3 MMIC 低噪声放大器
（4）低功耗设计
2. 堆垛偏置
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3.2.3.3 MMIC 低噪声放大器
单片低噪声放大器
• 56-70GHz monolithic PHEMT low noise amplifier [TriQ uint]
3.2. 3.4 MMIC 宽带功率放大器
（1）平衡式宽带放大器
原理: 特点：
A.工作带宽~1个倍频程，主要受限于耦合 器的带宽； B.宽带设计输入输出驻波比小； C.噪声系数低,与单管相同，可按照最小噪 声匹配设计，不必同时兼顾驻波比； D.输出功率和动态范围大一倍； E.三阶交调改善6dB； F.增益等于单级放大。 G.稳定性好，稳定系数恒大于1。
3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（2）结构设计
3、功率和增益分配
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3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（3）小信号设计
1、工作点选取
流片 测试 指标 工艺 选取
大信 号设 计
小信 号设 计
电路 结构
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2


Gp Gt
Ga Gt
• • • •
传送到晶体管输入端的信号功率 P1 ; 信号源资用功率P1a ; 放大器输出端口传送给负载的功率P2 ; 放大器输出口的资用功率P2a ;
只有当放大器的输入端口和输出端口都同时实现共轭匹配时，这三个功率增 益才相等。 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（3）小信号设计
2、匹配设计
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（3）小信号设计
2、匹配设计
目标：满足指标中增益要求；偏置电路的 合理性；合理的电路拓扑；功率不必强求 达到指标。 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
平衡式 RF 出 相同的放大器 RF 入 90º混合接头
由两个单机放大器与正交耦合器组成。
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3.2. 3.4 MMIC 宽带功率放大器
（1）平衡式宽带放大器
80-100GHz monolithic HEMT balanced, 3-stage, low n oise amplifier [TriQuint]
大信 号设 计
小信 号设 计
电路 结构
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3.2.3.2 MMIC功率放大器设计
（1）工艺选取（GaAs为例）
毫米波电路晶圆代工厂:
Triquent\WIN\UMS\OMMIC\ Northrop Grumman \Raytheon\HRL Lab\ Agilent\skyworks\M/A-COM\RFMD\Eudyna