專利名稱：一種毫米波單片集成低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及毫米波單片集成低噪聲放大器(LNA)，可直接應(yīng)用于雷 達(dá)、通訊等系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今，大多數(shù)毫米波接收機(jī)是外差式電路，為了檢測(cè)小信號(hào)一般都在前級(jí)用低噪聲放大 器放大接收信號(hào)來克服后級(jí)的噪聲。低噪聲放大器是毫米波接收前端系統(tǒng)的關(guān)鍵單元之一， 它位于接收機(jī)的第一級(jí)，直接與天線信號(hào)相連。由于其位于接收機(jī)的第一級(jí)，所以它的噪盧 特性將大大影響整個(gè)系統(tǒng)的噪聲特性。同時(shí)天線下來的信號(hào)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(hào)，并把有用信號(hào)完整的傳輸?shù)较?一級(jí)。同時(shí)，低噪聲放大器需要呈現(xiàn)一個(gè)特定的輸入阻抗，以便和天線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
LNA的一般要求為噪聲系數(shù)低、增益高。在接收鏈路中，后面級(jí)的噪聲可由LNA的增 益引入，并且LNA的噪聲被直接注入所接收的信號(hào)。因此，LNA必須提高所希望的信號(hào)功 率并同時(shí)加入盡量少的噪聲和失真，以便能在系統(tǒng)后面級(jí)中重獲該信號(hào)。
目前普遍應(yīng)用的低噪聲放大器多為混合電路和模塊電路，主要實(shí)現(xiàn)方式是通過單個(gè)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(diǎn)有體積大、 一致性不好等。
隨著微波毫米波通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)通信設(shè)備的要求越來越高，體積小，重量 輕，可靠性高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)使得微波單片集成電路(MMIC)在微波通信領(lǐng)域逐漸取代 了波導(dǎo)系統(tǒng)和混合集成電路。
微波單片集成電路是用半導(dǎo)體工藝把有源器件、無源器件和微波傳輸線、互連線等全部 制作在一片砷化鎵或硅片上而構(gòu)成的集成電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于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系數(shù)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(diǎn)，在保證低的噪聲的同時(shí)，提高單片低噪聲放 大器的駐波性能使其達(dá)到體積小一致性好的目的。
本發(fā)明技術(shù)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、連接于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、連接于輸入 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(gè)放大器電路集成于 單片砷化鎵或硅片上。
所述第一放大支路和第二放大支路為相同的電路結(jié)構(gòu)，均為五級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)。所述五 級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)中，每一級(jí)放大單元之間通過隔直耦合電容相連；第五級(jí)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(jí)放大單元均為相同的電路結(jié)構(gòu)放大器件
為PHEMT三級(jí)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(jí)放大信號(hào)。所述柵極匹配及偏置電路為一個(gè)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(jí)管 的柵極，PHEMT三級(jí)管的水平左端接本級(jí)放大單元的輸入信號(hào)。所述源極匹配及偏置電路由 一段微帶傳輸線和一個(gè)RC并聯(lián)支路相串聯(lián)而成。所述漏極匹配及偏置電路由一個(gè)T型微帶 傳輸線、漏極偏置屯壓信號(hào)Vds和一個(gè)旁路電容構(gòu)成漏極偏置電壓信號(hào)Vds通過旁路電容 接地的同時(shí)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(jí)管的漏 極，T型微帶傳輸線的水平右端輸出本級(jí)放大單元的放大輸出信號(hào)。
本發(fā)明技術(shù)方案具有以下一些特點(diǎn)
一、 在提高低噪聲放大器的噪聲性能方面，本發(fā)明
(1) 選擇柵長(zhǎng)更短的FET工藝。柵長(zhǎng)越短，跨導(dǎo)gm越大，柵源電容Cgs越小，這些都 對(duì)減小噪聲系數(shù)有利。
(2) 選擇載流子遷移率高的FET工藝，遷移率越高，跨導(dǎo)gm越大，噪聲越小。這也是 為什么PHEMT工藝噪聲性能優(yōu)于HEMT和MESFET工藝的原因。
(3) 折衷選擇器件的柵寬和叉指數(shù)，做到既降低Rn、 Rg、 RS，又兼顧C(jī)gs。
(4) 合理選擇器件的直流偏置點(diǎn)。據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，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(fā)明采用了輸入共軛匹配和噪聲匹配同時(shí)實(shí)現(xiàn)低噪 聲放大器
在源與品體管的輸入阻抗之間實(shí)現(xiàn)共軛匹配可獲得最大功率傳輸，此時(shí)的源反射系數(shù)為 《，但足這種匹配通常不能得到最小的噪聲系數(shù)。相應(yīng)地，為了獲得最小的噪聲因子Fmin,
存在一個(gè)最佳源阻抗Zopt (或是反射系數(shù)r一 )。 一般情況下r一不同于《。這就意味著實(shí)現(xiàn)
最小噪聲系數(shù)的放大器，設(shè)計(jì)必然偏離最大功率傳輸?shù)钠ヅ錀l件，有一定程度的失配。要解決該問題，則需選擇合適的結(jié)構(gòu)，使器件的r，和《彼此靠近。
本發(fā)明采用輸出加載的串并聯(lián)組合反饋方式，該方式能夠使r，,和《相互靠近并可應(yīng)用
于單片低噪聲放大器。
當(dāng)應(yīng)用到FET時(shí)，該技術(shù)的原理是通過調(diào)節(jié)FET源極串聯(lián)負(fù)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(gè)同時(shí)噪聲匹配和功率匹配的低噪聲放
大器。圖1是帶有串聯(lián)負(fù)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(dá)式
c;' >c; (i)
從上式可以看出，輸入阻抗2 ,隨器件本身參數(shù)、串聯(lián)負(fù)反饋以及輸出負(fù)載的變化而變化，
所以共軛匹配源反射系數(shù)^與器件本身參數(shù)、串聯(lián)負(fù)反饋以及輸出負(fù)載都相關(guān)。而r，僅受 到器件本身參數(shù)和串聯(lián)負(fù)反饋的影響。所以，可以找到一個(gè)合適的器件柵寬、反饋量和輸出
負(fù)載，使《和r一相等。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，器件的柵寬是控制《和r，,二者彼此接近的一個(gè)
重要參數(shù)，在每個(gè)不同的頻率點(diǎn)都有不同的最佳柵寬。
三、 在減小芯片面積、降低成本和體積方面，本發(fā)明將柵極匹配及偏置電路用一個(gè)并聯(lián) 分支線(即T型微帶傳輸線)來實(shí)現(xiàn)。
傳統(tǒng)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(huì)占很大面積，這 在MMIC的設(shè)計(jì)中是不允許的，因此我們把偏置電路和匹配電路用一個(gè)并聯(lián)分支線來實(shí)現(xiàn)， 如圖2(b)所示，去掉了直流偏置用的四分之一波長(zhǎng)線，大大縮小了芯片面積(實(shí)際的柵極匹 配及偏置電路由于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(jié) 省了一個(gè)旁路電容和柵極偏置電壓信號(hào))。
四、 為了減少供電電源數(shù)目，采用了自給偏置電路
自給偏置電路是在PHEMT的源極串聯(lián)一個(gè)電阻RS，當(dāng)漏極電流ID流過該電阻時(shí)，在它 的兩端將產(chǎn)生電壓降，柵極對(duì)直流接地，因此電阻RS上產(chǎn)生的偏壓就是柵源電壓，即
VGS=VG-VS=-VS=-IDRS (2)
本發(fā)明采用如圖3所示的自給偏置電路，柵極采用短路式匹配及偏置電路，可以同時(shí)實(shí) 現(xiàn)射頻匹配和直流短路。在源極采用串聯(lián)高阻抗微帶線實(shí)現(xiàn)源極負(fù)反饋，同時(shí)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處并聯(lián)一旁路電容CS，以形成射頻回 路，避免射頻信號(hào)流過電阻時(shí)造成衰減。
ii、為了提高穩(wěn)定性改善器件駐波、噪聲性能和最大輸出功率，本發(fā)明采用兩個(gè)朗格電
橋構(gòu)成平衡式結(jié)構(gòu)。
晶體管內(nèi)部都存在反饋，S參數(shù)的S12就表示內(nèi)部反饋量，它是電壓波的反向傳輸系數(shù)。 S12越大，內(nèi)部反饋越強(qiáng)。反饋達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)引起放大器的穩(wěn)定性變化，甚至產(chǎn)生自 激。
放大器的穩(wěn)定性是放大器設(shè)計(jì)中需要考慮的非常重要的因素， 一般用兩個(gè)穩(wěn)定性因子(k 和b)來判斷電路的穩(wěn)定性，k>l， b>0電路就是絕對(duì)穩(wěn)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(fā)明設(shè)計(jì)的單片低噪聲放大器工作在Ka頻段，在考慮放大器穩(wěn)定性時(shí)，不僅要考慮 放大器在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性，還要考慮放大器在低頻段的穩(wěn)定性，因?yàn)樵诘皖l段放大器增 益更大，更容易產(chǎn)生自激振蕩。 一旦放大器在某頻點(diǎn)產(chǎn)生自激振蕩，即使該頻點(diǎn)不在我們所 設(shè)計(jì)的放大器工作頻帶內(nèi)，放大器的放大特性也會(huì)被破壞。另外，對(duì)一個(gè)多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器， 即使它的總k因子大于l，它也可能振蕩，必須對(duì)包含有源器件的所有內(nèi)部二端口網(wǎng)絡(luò)以及 整個(gè)電路都要進(jìn)行穩(wěn)定性分析，才能保證放大器的穩(wěn)定性。
朗格電橋(Lange coupler)的作用是在很寬的頻帶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)把-路輸入信號(hào)變成幅度相 等，相位相差90°的兩路輸出信號(hào)。它將偶合的兩條微帶導(dǎo)體分裂成指狀，交—辨安裝，以實(shí) 現(xiàn)緊偶合，Lange coupler相對(duì)與定向耦合器最大的優(yōu)點(diǎn)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(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，因此很適合在單片集成電路中使用。
采用朗格電橋構(gòu)成的平衡式低噪聲放大器提高了期間的穩(wěn)定性，并且改善了駐波、噪聲 等性能。
綜上，本發(fā)明的有益效果可以概述為
1、本發(fā)明在輸入端同吋實(shí)現(xiàn)了共軛匹配和噪聲匹配，提高了整個(gè)器件的噪聲性能。2、 本發(fā)明將偏置電路和匹配電路用一個(gè)并聯(lián)分支線來實(shí)現(xiàn)，并采用自給偏置電路，簡(jiǎn)化 了電路，減小了芯片面積，降低了成本和體積。
3、 本發(fā)明采用兩個(gè)朗格電橋構(gòu)成的平衡結(jié)構(gòu)，提高穩(wěn)定性、改善了駐波性能和提高了輸 出功率。


圖1是帶有串聯(lián)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(tǒng)LNA的柵極匹配及偏黃電 路；(b)是本發(fā)明提供的LNA的柵極匹配及偏置電路(本發(fā)明由于采用fi給偏置電路結(jié)構(gòu)， 具體電路有所不同)。
圖3是本發(fā)明提供的LNA的自給偏覚電路結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是本發(fā)明提供的一種MMIC平衡式五級(jí)低噪聲放大器電路圖。 圖5是本發(fā)明提供的一種MMIC平衡式五級(jí)低噪聲放大器的增益測(cè)試曲線。 圖6是本發(fā)明提供的一種MMIC平衡式五級(jí)低噪聲放大器的噪聲系數(shù)測(cè)試曲線。 圖7是本發(fā)明提供的一種MMIC平衡式五級(jí)低噪聲放大器的反射系數(shù)測(cè)試曲線。
具體實(shí)施例方式
采用OMMIC公司的0.15nmPHEMT工藝設(shè)計(jì)Ka頻段寬帶低噪聲放大器芯片。 五級(jí)低噪聲放大器芯片電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)低噪聲放大器芯片的增益和噪聲系數(shù)指標(biāo)要求，選擇平衡式五級(jí)共源放大結(jié)構(gòu)，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(gè)朗格電橋，放大器鏈路中每- 級(jí)的輸入、輸出端都有隔直耦合電容。第-、二級(jí)放大器的噪聲性能對(duì)整個(gè)放大器的噪聲性 能起決定性作用，但同時(shí)它也必須提供足夠的增益Gl、 G2以抑制后面各級(jí)產(chǎn)生的噪聲，所 以第一、二級(jí)放大器必須綜合考慮噪聲匹配和增益匹配。根據(jù)前面的分析，可以通過調(diào)節(jié)第 一、二級(jí)放大器有源器件的柵寬和源極負(fù)反饋微帶線的長(zhǎng)度L,使最佳噪聲匹配點(diǎn)(r。p1)盡
可能的和共軛匹配點(diǎn)(《)接近，以同時(shí)達(dá)到最佳噪聲匹配和共軛匹配。第三級(jí)和第四級(jí)為
增益級(jí)，均采用共軛匹配，以獲得高的增益，同時(shí)為保證放大器的穩(wěn)定性，在第三、四、五 級(jí)放大器有源器件的源極也引入了串聯(lián)負(fù)反饋。
五級(jí)低噪聲放大器芯片自偏置電路設(shè)計(jì)
自給偏置電路是在PHEMT的源極串聯(lián)一個(gè)電阻RS，當(dāng)漏極電流ID流過該電阻時(shí)，在它的兩端將產(chǎn)生電壓降，柵極對(duì)直流接地，因此電阻RS上產(chǎn)生的偏壓就是柵源電壓，即
本發(fā)明采用如圖3所示的自給偏置電路，柵極采用短路式匹配電路，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)射頻 M配和直流短路。在源極采用串聯(lián)高阻抗微帶線實(shí)現(xiàn)源極負(fù)反饋，同時(shí)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處并聯(lián)一旁路電容CS，以形成射頻回路，避 免射頻信號(hào)流過電阻時(shí)造成衰減。
五低噪聲放大器芯片整體電路設(shè)計(jì)
五級(jí)低噪聲放大器芯片中，有源器件選擇耗盡型PHEMT器件，PHEMT管柵寬取 30x4pni。為實(shí)現(xiàn)小的功耗，采用1.8V漏電壓供電。由于所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器芯片帶寬很 寬，匹配電路設(shè)計(jì)以中心頻率為基礎(chǔ)，以保證中心頻率附近有最好的電路性能。利用 Agilent-ADS軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化，所用的有源器件和無源元件模型由芯片代工廠的工藝庫(kù)文 件提供。
權(quán)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、連接于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、連接于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(gè)放大器電路集成于單片砷化鎵或硅片上；所述第一放大支路和第二放大支路為相同的電路結(jié)構(gòu)，均為五級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)；所述五級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)中，每一級(jí)放大單元之間通過隔直耦合電容相連；第五級(jí)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(jí)放大單元均為相同的電路結(jié)構(gòu)放大器件為PHEMT三級(jí)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(jí)放大信號(hào)；所述柵極匹配及偏置電路為一個(gè)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(jí)管的柵極，PHEMT三級(jí)管的水平左端接本級(jí)放大單元的輸入信號(hào)；所述源極匹配及偏置電路由一段微帶傳輸線和一個(gè)RC并聯(lián)支路相串聯(lián)而成；所述漏極匹配及偏置電路由一個(gè)T型微帶傳輸線、漏極偏置電壓信號(hào)Vds和一個(gè)旁路電容構(gòu)成漏極偏置電壓信號(hào)Vds通過旁路電容接地的同時(shí)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(jí)管的漏極，T型微帶傳輸線的水平右端輸出本級(jí)放大單元的放大輸出信號(hào)。
全文摘要
一種毫米波單片集成低噪聲放大器，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及毫米波單片集成低噪聲放大器(LNA)。電路結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明為包括兩個(gè)朗格電橋和連接于兩個(gè)朗格電橋之間的兩路(平衡式)五級(jí)放大結(jié)構(gòu)，整個(gè)放大器電路集成于單片砷化鎵或硅片上。本發(fā)明采用PHMET工藝，噪聲性能優(yōu)異；采用輸入共軛匹配和噪聲匹配同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益和低噪聲；在偏置方面，本發(fā)明去掉了傳統(tǒng)LNA中直流偏置用的四分之一波長(zhǎng)線，大大縮小了芯片面積。并采用自給偏置方式，節(jié)省了電源和器件數(shù)目；采用兩個(gè)朗格電橋構(gòu)成平衡式結(jié)構(gòu)，提高了LNA的穩(wěn)定性和最大輸出功率、改善了LNA的駐波和噪聲性能。本發(fā)明可應(yīng)用于雷達(dá)、通訊等系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)H03F3/60GK101621282SQ20091015887
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者濤 楊, 楊自強(qiáng) 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)