一種毫米波單片集成低噪聲放大器的製作方法
2023-08-09 13:19:26
專利名稱：一種毫米波單片集成低噪聲放大器的製作方法
技術領域：
本發明屬於電子技術領域，涉及毫米波單片集成低噪聲放大器(LNA)，可直接應用於雷 達、通訊等系統。
背景技術：
現今，大多數毫米波接收機是外差式電路，為了檢測小信號一般都在前級用低噪聲放大 器放大接收信號來克服後級的噪聲。低噪聲放大器是毫米波接收前端系統的關鍵單元之一， 它位於接收機的第一級，直接與天線信號相連。由於其位於接收機的第一級，所以它的噪盧 特性將大大影響整個系統的噪聲特性。同時天線下來的信號一般較弱，低噪聲放大器本身具 有的噪聲特性所引起的靈敏度將影響到是否能正確接收信號，並把有用信號完整的傳輸到下 一級。同時，低噪聲放大器需要呈現一個特定的輸入阻抗，以便和天線實現阻抗匹配。
LNA的一般要求為噪聲係數低、增益高。在接收鏈路中，後面級的噪聲可由LNA的增 益引入，並且LNA的噪聲被直接注入所接收的信號。因此，LNA必須提高所希望的信號功 率並同時加入儘量少的噪聲和失真，以便能在系統後面級中重獲該信號。
目前普遍應用的低噪聲放大器多為混合電路和模塊電路，主要實現方式是通過單個晶體 管和外圍匹配電路組成，這類低噪聲放大器的主要缺點有體積大、 一致性不好等。
隨著微波毫米波通信技術的迅速發展，人們對通信設備的要求越來越高，體積小，重量 輕，可靠性高，穩定性好等優點使得微波單片集成電路(MMIC)在微波通信領域逐漸取代 了波導系統和混合集成電路。
微波單片集成電路是用半導體工藝把有源器件、無源器件和微波傳輸線、互連線等全部 製作在一片砷化鎵或矽片上而構成的集成電路。
發明內容
本發明提供一種基於PHMET工藝的毫米波波段單片低噪聲放大器，以克服混合低噪聲 放大器電路中一致性差、體積大和單片集成低噪聲放大器中噪聲係數與帶寬、輸入匹配間的 矛盾、工作帶寬窄，輸入阻抗匹配困難的缺點，在保證低的噪聲的同時，提高單片低噪聲放 大器的駐波性能使其達到體積小一致性好的目的。
本發明技術方案為
一種毫米波單片集成低噪聲放大器，如圖4所不，包括輸入朗格電橋、輸出朗格電橋、連接於輸入朗格電橋的直通輸出端和輸出朗格電橋直通輸入端的第一放大支路、連接於輸入 朗格電橋的耦合輸出端和輸出朗格電橋耦合輸入端的第—放大支路。整個放大器電路集成於 單片砷化鎵或矽片上。
所述第一放大支路和第二放大支路為相同的電路結構，均為五級放大電路結構。所述五 級放大電路結構中，每一級放大單元之間通過隔直耦合電容相連；第五級放大單元與輸出朗 格電橋之間也通過隔直耦合電容相連。所述每一級放大單元均為相同的電路結構放大器件
為PHEMT三級管，其柵極與柵極匹配及偏置電路相連，其源極通過源極匹配及偏置電路接 地，其漏極通過漏極匹配及偏置電路輸出本級放大信號。所述柵極匹配及偏置電路為一個T 型微帶傳輸線，T型微帶傳輸線的垂直端接地，T型微帶傳輸線的水平右端接PHEMT三級管 的柵極，PHEMT三級管的水平左端接本級放大單元的輸入信號。所述源極匹配及偏置電路由 一段微帶傳輸線和一個RC並聯支路相串聯而成。所述漏極匹配及偏置電路由一個T型微帶 傳輸線、漏極偏置屯壓信號Vds和一個旁路電容構成漏極偏置電壓信號Vds通過旁路電容 接地的同時接T型微帶傳輸線的垂直端，T型微帶傳輸線的水平左端接PHEMT三級管的漏 極，T型微帶傳輸線的水平右端輸出本級放大單元的放大輸出信號。
本發明技術方案具有以下一些特點
一、 在提高低噪聲放大器的噪聲性能方面，本發明
(1) 選擇柵長更短的FET工藝。柵長越短，跨導gm越大，柵源電容Cgs越小，這些都 對減小噪聲係數有利。
(2) 選擇載流子遷移率高的FET工藝，遷移率越高，跨導gm越大，噪聲越小。這也是 為什麼PHEMT工藝噪聲性能優於HEMT和MESFET工藝的原因。
(3) 折衷選擇器件的柵寬和叉指數，做到既降低Rn、 Rg、 RS，又兼顧Cgs。
(4) 合理選擇器件的直流偏置點。據工程經驗，噪聲最小值的工作電流在漏源飽和電流 的10%到15%之間。
二、 在提高增益、減小噪聲方面，本發明採用了輸入共軛匹配和噪聲匹配同時實現低噪 聲放大器
在源與品體管的輸入阻抗之間實現共軛匹配可獲得最大功率傳輸，此時的源反射係數為 《，但足這種匹配通常不能得到最小的噪聲係數。相應地，為了獲得最小的噪聲因子Fmin,
存在一個最佳源阻抗Zopt (或是反射係數r一 )。 一般情況下r一不同於《。這就意味著實現
最小噪聲係數的放大器，設計必然偏離最大功率傳輸的匹配條件，有一定程度的失配。要解決該問題，則需選擇合適的結構，使器件的r，和《彼此靠近。
本發明採用輸出加載的串並聯組合反饋方式，該方式能夠使r，,和《相互靠近並可應用
於單片低噪聲放大器。
當應用到FET時，該技術的原理是通過調節FET源極串聯負反饋電感的電感量，能夠使 r，和《彼此更加接近，直至二者重合，從而得到一個同時噪聲匹配和功率匹配的低噪聲放
大器。圖1是帶有串聯負反饋的FET低噪聲放大器的等效電路，可以得到輸入阻抗Z,"具有 如下表達式
c;' >c; (i)
從上式可以看出，輸入阻抗2 ,隨器件本身參數、串聯負反饋以及輸出負載的變化而變化，
所以共軛匹配源反射係數^與器件本身參數、串聯負反饋以及輸出負載都相關。而r，僅受 到器件本身參數和串聯負反饋的影響。所以，可以找到一個合適的器件柵寬、反饋量和輸出
負載，使《和r一相等。在實際的設計中，器件的柵寬是控制《和r，,二者彼此接近的一個
重要參數，在每個不同的頻率點都有不同的最佳柵寬。
三、 在減小晶片面積、降低成本和體積方面，本發明將柵極匹配及偏置電路用一個並聯 分支線(即T型微帶傳輸線)來實現。
傳統LNA的匹配電路和偏置電路是分開的，如圖2(a)所示，偏置電路會佔很大面積，這 在MMIC的設計中是不允許的，因此我們把偏置電路和匹配電路用一個並聯分支線來實現， 如圖2(b)所示，去掉了直流偏置用的四分之一波長線，大大縮小了晶片面積(實際的柵極匹 配及偏置電路由於釆用了下述自給偏置電路，在柵極^用了短路式匹配及偏置電路，從而節 省了一個旁路電容和柵極偏置電壓信號)。
四、 為了減少供電電源數目，採用了自給偏置電路
自給偏置電路是在PHEMT的源極串聯一個電阻RS，當漏極電流ID流過該電阻時，在它 的兩端將產生電壓降，柵極對直流接地，因此電阻RS上產生的偏壓就是柵源電壓，即
VGS=VG-VS=-VS=-IDRS (2)
本發明採用如圖3所示的自給偏置電路，柵極採用短路式匹配及偏置電路，可以同時實 現射頻匹配和直流短路。在源極採用串聯高阻抗微帶線實現源極負反饋，同時為了避免弓I入電阻造成的射頻能量衰減和增益下降，在源極電阻RS處並聯一旁路電容CS，以形成射頻回 路，避免射頻信號流過電阻時造成衰減。
ii、為了提高穩定性改善器件駐波、噪聲性能和最大輸出功率，本發明採用兩個朗格電
橋構成平衡式結構。
電晶體內部都存在反饋，S參數的S12就表示內部反饋量，它是電壓波的反向傳輸係數。 S12越大，內部反饋越強。反饋達到一定強度時，將會引起放大器的穩定性變化，甚至產生自 激。
放大器的穩定性是放大器設計中需要考慮的非常重要的因素， 一般用兩個穩定性因子(k 和b)來判斷電路的穩定性，k>l， b>0電路就是絕對穩定的。
1:一1—|SJ2-|S22 |2+|A|2 (3)
2 I《2^21 I
bzl+ISjU—|A|2 (4)
其中
A二S,2廣SA (5)
本發明設計的單片低噪聲放大器工作在Ka頻段，在考慮放大器穩定性時，不僅要考慮 放大器在工作頻段內的穩定性，還要考慮放大器在低頻段的穩定性，因為在低頻段放大器增 益更大，更容易產生自激振蕩。 一旦放大器在某頻點產生自激振蕩，即使該頻點不在我們所 設計的放大器工作頻帶內，放大器的放大特性也會被破壞。另外，對一個多級級聯放大器， 即使它的總k因子大於l，它也可能振蕩，必須對包含有源器件的所有內部二埠網絡以及 整個電路都要進行穩定性分析，才能保證放大器的穩定性。
朗格電橋(Lange coupler)的作用是在很寬的頻帶內，實現把-路輸入信號變成幅度相 等，相位相差90°的兩路輸出信號。它將偶合的兩條微帶導體分裂成指狀，交—辨安裝，以實 現緊偶合，Lange coupler相對與定向耦合器最大的優點是大大提高了工作帶寬。與分支線定 向偶合器相比，Lange coupler還具有結構緊湊的優點，因此很適合在單片集成電路中使用。
採用朗格電橋構成的平衡式低噪聲放大器提高了期間的穩定性，並且改善了駐波、噪聲 等性能。
綜上，本發明的有益效果可以概述為
1、本發明在輸入端同吋實現了共軛匹配和噪聲匹配，提高了整個器件的噪聲性能。2、 本發明將偏置電路和匹配電路用一個並聯分支線來實現，並採用自給偏置電路，簡化 了電路，減小了晶片面積，降低了成本和體積。
3、 本發明採用兩個朗格電橋構成的平衡結構，提高穩定性、改善了駐波性能和提高了輸 出功率。
圖1是帶有串聯反饋的FETLNA的等效電路不意圖。
圖2是LNA的柵極匹配及偏置電路示意圖。其中(a)是傳統LNA的柵極匹配及偏黃電 路；(b)是本發明提供的LNA的柵極匹配及偏置電路(本發明由於採用fi給偏置電路結構， 具體電路有所不同)。
圖3是本發明提供的LNA的自給偏覚電路結構示意圖。 圖4是本發明提供的一種MMIC平衡式五級低噪聲放大器電路圖。 圖5是本發明提供的一種MMIC平衡式五級低噪聲放大器的增益測試曲線。 圖6是本發明提供的一種MMIC平衡式五級低噪聲放大器的噪聲係數測試曲線。 圖7是本發明提供的一種MMIC平衡式五級低噪聲放大器的反射係數測試曲線。
具體實施例方式
採用OMMIC公司的0.15nmPHEMT工藝設計Ka頻段寬帶低噪聲放大器晶片。 五級低噪聲放大器晶片電路拓撲結構設計
根據低噪聲放大器晶片的增益和噪聲係數指標要求，選擇平衡式五級共源放大結構，如 圖4所示。輸入、輸出阻抗為50歐姆，再輸入輸出段各加一個朗格電橋，放大器鏈路中每- 級的輸入、輸出端都有隔直耦合電容。第-、二級放大器的噪聲性能對整個放大器的噪聲性 能起決定性作用，但同時它也必須提供足夠的增益Gl、 G2以抑制後面各級產生的噪聲，所 以第一、二級放大器必須綜合考慮噪聲匹配和增益匹配。根據前面的分析，可以通過調節第 一、二級放大器有源器件的柵寬和源極負反饋微帶線的長度L,使最佳噪聲匹配點(r。p1)盡
可能的和共軛匹配點(《)接近，以同時達到最佳噪聲匹配和共軛匹配。第三級和第四級為
增益級，均採用共軛匹配，以獲得高的增益，同時為保證放大器的穩定性，在第三、四、五 級放大器有源器件的源極也引入了串聯負反饋。
五級低噪聲放大器晶片自偏置電路設計
自給偏置電路是在PHEMT的源極串聯一個電阻RS，當漏極電流ID流過該電阻時，在它的兩端將產生電壓降，柵極對直流接地，因此電阻RS上產生的偏壓就是柵源電壓，即
本發明採用如圖3所示的自給偏置電路，柵極採用短路式匹配電路，可以同時實現射頻 M配和直流短路。在源極採用串聯高阻抗微帶線實現源極負反饋，同時為了避免引入電阻造 成的射頻能量衰減和增益下降，在源極電阻RS處並聯一旁路電容CS，以形成射頻迴路，避 免射頻信號流過電阻時造成衰減。
五低噪聲放大器晶片整體電路設計
五級低噪聲放大器晶片中，有源器件選擇耗盡型PHEMT器件，PHEMT管柵寬取 30x4pni。為實現小的功耗，採用1.8V漏電壓供電。由於所設計的低噪聲放大器晶片帶寬很 寬，匹配電路設計以中心頻率為基礎，以保證中心頻率附近有最好的電路性能。利用 Agilent-ADS軟體進行仿真和優化，所用的有源器件和無源元件模型由晶片代工廠的工藝庫文 件提供。
權利要求
1、一種毫米波單片集成低噪聲放大器，包括輸入朗格電橋、輸出朗格電橋、連接於輸入朗格電橋的直通輸出端和輸出朗格電橋直通輸入端的第一放大支路、連接於輸入朗格電橋的耦合輸出端和輸出朗格電橋耦合輸入端的第二放大支路；整個放大器電路集成於單片砷化鎵或矽片上；所述第一放大支路和第二放大支路為相同的電路結構，均為五級放大電路結構；所述五級放大電路結構中，每一級放大單元之間通過隔直耦合電容相連；第五級放大單元與輸出朗格電橋之間也通過隔直耦合電容相連；所述每一級放大單元均為相同的電路結構放大器件為PHEMT三級管，其柵極與柵極匹配及偏置電路相連，其源極通過源極匹配及偏置電路接地，其漏極通過漏極匹配及偏置電路輸出本級放大信號；所述柵極匹配及偏置電路為一個T型微帶傳輸線，T型微帶傳輸線的垂直端接地，T型微帶傳輸線的水平右端接PHEMT三級管的柵極，PHEMT三級管的水平左端接本級放大單元的輸入信號；所述源極匹配及偏置電路由一段微帶傳輸線和一個RC並聯支路相串聯而成；所述漏極匹配及偏置電路由一個T型微帶傳輸線、漏極偏置電壓信號Vds和一個旁路電容構成漏極偏置電壓信號Vds通過旁路電容接地的同時接T型微帶傳輸線的垂直端，T型微帶傳輸線的水平左端接PHEMT三級管的漏極，T型微帶傳輸線的水平右端輸出本級放大單元的放大輸出信號。
全文摘要
一種毫米波單片集成低噪聲放大器，屬於電子技術領域，涉及毫米波單片集成低噪聲放大器(LNA)。電路結構上，本發明為包括兩個朗格電橋和連接於兩個朗格電橋之間的兩路(平衡式)五級放大結構，整個放大器電路集成於單片砷化鎵或矽片上。本發明採用PHMET工藝，噪聲性能優異；採用輸入共軛匹配和噪聲匹配同時實現高增益和低噪聲；在偏置方面，本發明去掉了傳統LNA中直流偏置用的四分之一波長線，大大縮小了晶片面積。並採用自給偏置方式，節省了電源和器件數目；採用兩個朗格電橋構成平衡式結構，提高了LNA的穩定性和最大輸出功率、改善了LNA的駐波和噪聲性能。本發明可應用於雷達、通訊等系統中。
文檔編號H03F3/60GK101621282SQ20091015887
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月3日 優先權日2009年3月6日
發明者濤 楊, 楊自強 申請人:電子科技大學