稀有金属 2004,(06),1085-1087 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.06.027
C波段单片低功耗低噪声放大器
李建平 林金庭 魏同立
南京电子器件研究所,南京电子器件研究所,南京电子器件研究所,东南大学微电子中心 江苏南京210016 ,江苏南京210016 ,江苏南京210016 ,江苏南京210096
摘 要:
报道了一种新型的C波段 0 .5μmPHEMT单片低功耗低噪声放大器。该放大器由三级级联构成 , 采用电流回收技术 , 实现了低功耗的目的。芯片面积为 2 .1× 1 .8mm2 , 直流功耗为 1 2 5mW (VD=5V , ID≤ 2 5mA) 。封装后测试结果为 :在C波段 , 带宽 1 .1GHz, 增益 >2 5 .7dB , 增益平坦度≤± 0 .6dB , 噪声系数≤ 1 .72dB , 输入、输出电压驻波 <2∶1 ;带内最小噪声系数为 1 .61dB , 相关增益为 2 6 .3dB。测量结果与设计符合得较好。
关键词:
微波单片集成电路;低功耗;赝配高电子迁移率晶体管;低噪声放大器;
中图分类号: TN722.3
收稿日期:2003-10-20
C-band Low DC Power MMIC Low Noise Amplifier
Abstract:
A new kind of 0.5 μm PHEMT C-band low DC power LNA was designed and fabricated successfully in China by using current reused technique. The device consists of three cascades with total chip area of 2.1 mm×1.8 mm and has low DC power dissipation of 125 mW (5 V×25 mA) . The LNA was packaged and measured: from frequency 5.5 GHz up to 6.6 GHz, a minimum linear power gain of 25.7 dB, a gain flatness of less than ±0.6 dB, a maximum noise figure of 1.72 dB, a VSWR of less than 2.0. The minimum noise figure is 1.61 dB with associated gain of 26.3 dB. A good agreement has been achieved between measured results and simulated results.
Keyword:
MMIC; low DC power; PHEMT; LNA;
Received: 2003-10-20
在卫星通信中, 为了减小接收机的直流功耗和接收机的重量, 需要体积小、 可靠性高、 重量轻和功耗低的低噪声单片放大器。 因此在低直流工作状态下获得高增益也是电路设计者追求的目标。 本文介绍的C波段低功耗低噪声放大器, 直流功耗只有125 mW, 噪声系数小于1.7 dB, 增益大于25.7 dB。 该放大器采用金属管壳, 密封性好, 抗辐射强。
1 电路设计与加工
当PHEMT在小电流工作时, 器件的跨导较小, 对于0.5 μm 栅宽的PHEMT来说更是如此 (对于同栅宽的器件, 栅长越大, 跨导越小, 增益越小) 。 在小功耗下, 放大器在6 GHz达到25 dB以上的相关增益并非易事。 虽然受GaAs加工工艺条件限制, 但在电路结构和设计上采用有效的措施, 可以弥补工艺的不足, 达到预期的目的。 在电路结构设计中, 采用了电流回收技术, 实现了低功耗低噪声放大器。 该放大电路三级级联而成, 同时对PHEMT的栅宽进行了优化, 采用集总和分布参数匹配, 工艺上尽量减少匹配元件的寄生电阻, 以降低噪声。 第一级放大器主要实施最小噪声匹配; 第二级主要解决功率增益匹配同时兼顾噪声系数; 第三级电路主要解决功率增益匹配和输出驻波。 为了使用方便, 采用单电源+5 V供电, 输入输出端电容隔直。 第一级采用独立的自偏电路, 第二级和第三级设计为电流回收偏置。 含有电流回收偏置的电路原理图见图1。 图中的B、 R、 C组成电流回收偏置, M是匹配电路。 在电流回收偏置电路的设计中, 需要处理好对微波的隔离和后两级PHEMT的工作点相互牵制问题。
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PHEMT的噪声参数, 并建立了噪声模型。 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 MIM 电容和叉指电容。 电感采用平面矩形螺旋电感。 为了减小热阻、 便于背面通孔, 将芯片减薄到100 μm。 PHEMT栅电极上用TiPtAu合金, 源、 漏欧姆接触合金采用AuGeNi。 用SiN做钝化材料。 低噪声放大器的模拟结果如图2所示。
图1 低功耗低噪声放大器芯片电路原理图
Fig.1 Circuit schematic of MMIC LNA
2 测试结果
所有的管壳都影响芯片的电性能, 管壳给芯片带来了寄生效应和反馈。 但是所采用的管壳考虑了高频效应, 尽量减小管壳对芯片的寄生效应, 同时该低功耗低噪声放大器芯片设计时也充分考虑了管壳的寄生效应。 芯片封装在该管壳内, 维持了芯片的稳定性和良好的电性能。 测量的放大器的散射参数如图3所示, 噪声系数见表1。
表1测量的噪声系数
Table 1Measured noise figure of LNA
噪声/GHz |
5.5 |
5.8 |
6.1 |
6.4 |
6.6 |
NF/dB |
1.65 |
1.72 |
1.70 |
1.61 |
1.65
|
图2 低噪声放大器的模拟结果
Fig.2 Simulation result of LNA
图3 放大器的小信号测量结果 (VD=5 V, ID=25 mA)
Fig.3 S-parameter measured result of LNA (VD=5 V, ID=25 mA)
3 结语
利用电流回收技术在0.5 μm工艺的限制条件下, 实现了低功耗高增益单片低噪声放大器, 其最小噪声系数达1.61 dB。 由于密封在管壳中, 其稳定性好, 抗辐射强。 该放大器单电源工作, 使用方便, 通用性较强, 具有广泛的应用前景。 测量结果与设计符合得较好。
参考文献
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