简介概要

X波段单片低噪声放大器芯片

来源期刊：稀有金属2004年第3期

论文作者：周正林魏同立林金庭蒋幼泉彭龙新

关键词：微波单片集成电路; 赝配高电子迁移率晶体管; 低噪声放大器;

摘要：报道了X波段0.5 μm GaAs PHEMT 全单片低噪声放大器芯片.该放大器芯片由四级级联放大电路构成.芯片面积为2.43×1.85 mm2.该放大器芯片在通带内测试结果为: 在工作条件VD=5 V(ID≤100 mA)下,增益>26 dB,噪声系数≤2.2 dB,输入、输出电压驻波比<1.6∶1,平坦度≤±1 dB,1 dB压缩功率≥15 dB·m,相位一致性≤±3°,幅度一致性≤±0.5 dB.芯片尺寸为2.43 mm×1.85 mm.

稀有金属 2004,(03),484-486 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.03.009

X波段单片低噪声放大器芯片

周正林蒋幼泉林金庭魏同立

东南大学微电子中心,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京210096南京电子器件研究所,江苏南京210016 ,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X波段 0 .5 μmGaAsPHEMT全单片低噪声放大器芯片。该放大器芯片由四级级联放大电路构成。芯片面积为 2 .43× 1.85mm2 。该放大器芯片在通带内测试结果为 :在工作条件VD=5V (ID≤ 10 0mA) 下 , 增益 >2 6dB , 噪声系数≤ 2 .2dB , 输入、输出电压驻波比 <1.6∶1, 平坦度≤± 1dB , 1dB压缩功率≥ 15dB·m , 相位一致性≤± 3°, 幅度一致性≤± 0 .5dB。芯片尺寸为 2 .43mm× 1.85mm。

关键词：

微波单片集成电路;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：2003-04-20

X-Band Microwave Monolithic Integrated Circuit Low Noise Amplifier Chip

Abstract：

This paper reports a kind of 0.5 μm GaAs PHEMT X-band four-stage fully monolithic low noise amplifier chip. Across the 9.0～10.3 GHz frequency band, the LNA chip has noise figure better than 2.0 dB, linear gain more than 26 dB, gain flatness less than ±1 dB, input and output VSWRs less than 1.5∶1, and 1 dB gain compression output power greater than 15 dBm. The consistencies of amplitude and phase of the LNA chips are less than ±0.5 dB and (±3°) at the corresponding frequency points, respectively. The chip size is 2.43 mm×1.85 mm.

Keyword：

microwave monolithic integrated circuit; pseudomorghic high electron mobility transistor; low noise amplifier;

Received： 2003-04-20

随着MMIC技术的日趋成熟, MMIC元件体积小、重量轻、可靠性好、一致性好、成本低等优势得到了充分的发挥。这为相控阵雷达的小型化、实用化提供了保证。本文报道的X波单片段低噪声放大器, 其噪声系数小, 增益高, 输入输出电压驻波好, 相位线性度好, 幅相一致性好, 成品率高, 可批量生产, 其性能指标完全满足相控阵雷达T/R组件的要求。

1 电路设计及单片工艺

该单片低噪声放大器的电路设计中采取了集总和分布参数电路混合匹配。为了实现大于26 dB的增益, 该单片采用了四级级联放大电路。第一级电路主要解决噪声系数, 功率增益和输入驻波比。第二级电路主要解决功率增益匹配同时兼顾噪声系数。三、四级电路主要解决功率增益匹配和输出驻波比。为了使用方便, 每一级都采用自偏电路设计。该放大器输入输出端通过电容隔直, 可靠性高。电路原理图见图1。在PHEMT源端增加电感引入串联反馈, 这样, 放大器获得低噪声系数的同时也有良好的电压驻波比。由于串联的电感比较小, 用一段终端短路的微带线即可。为了使芯片在较宽带宽范围内获得比较平坦的增益, 同时实现小于1.5∶1的输入输出电压驻波比, 电路中每一级都采用了有耗匹配。在电路设计过程中, 充分考虑了工艺公差对电路的影响, 允许每个元件在其工艺公差范围内变化, 从而保证了产品有较高的成品率。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。

由于PHEMT具有2DEG, 提高了器件的跨导, 保留了GaAs表面, 减小了工艺敏感等优点, 所以我们选择PHEMT作为有源器件。 PHEMT 栅长0.5 μm, 第一级PHEMT栅宽 300 μm, 中间级的PHEMT栅宽为450 μm, 末级PHEMT栅宽为600 μm, 这一组合可以在有效降低放大器工作电流同时获得较大的输出功率。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。

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。

图1 电路原理图

Fig.1 Circuit schematic diagram

采用标准的MBE技术和步进光刻保证了同一批次、批次与批次之间的高度一致性。

2 测试结果

用Agilent 8720ES 矢量网络分析仪测量放大器的S参数, 用HP 8970B噪声测试系统测量放大器的噪声系数, 用Agilent E4419B功率计和Agilent 83752B频率扫描源构成的系统测量放大器芯片1 dB压缩功率。图2是某一放大器的小信号S参数, 该放大器的噪声参数和1 dB压缩功率见表1。 f为输入信号源频率, NF为噪声系数 , P_-1为1 dB压缩功率, P_-1in是输出1 dB压缩功率时的输入功率。

该X波段单片低噪声放大器芯片10个样品的幅度、相位和噪声系数情况如图3～5所示。各样品在9, 9.3, 9.6, 10, 10.3 GHz各频率点上的最大增益和最小增益分别约相差0.8, 0.8, 0.8, 0.7, 0.5 dB, 因此该单片放大器的幅度一致性小于±0.5 dB。由图4可以看出样品在9, 9.3, 9.6, 10, 10.3 GHz各频率点上的相位分别集中在-103°, -163°, 133°, 53°, -6°附近, 因此该单片的相位一致性比较好。由图5可以看出各单片在其通带内的噪声系数均小于2.2 dB, 有个别的芯片在带内的最小噪声系数达到1.9 dB。该单片在125 ℃, V_D加+5 V, 工作200 h后的增益和噪声系数如图6所示。实验后的增益比实验前的略有上升, 噪声系数在实验前后基本吻合。