1简介
低噪声放大器是微波/毫米波收发机系统中最重要的组件之一。作为整个接收机系统的第一级，其主要功能是不失真的放大输入信号并将信号传输到系统中的混频器进行处理。它的噪声系数将直接影响整个系统的优劣。为了减少混频器和其他器件产生的噪声，低噪放必须在保证接收机线性化前提下达到一定的高增益。根据卫星通信系统的需求，低噪声放大器必须做到宽频带阻抗匹配，提供足够的增益平坦度，并尽量减少噪声。在本文当中，低噪放使用的是RC反馈级联结构，这个结构可以保证电路的稳定性并有助于阻抗匹配的实现。为达到高集成水平，砷化镓衬底上的输入和输出端口采用的是LC滤波器阻抗匹配方法。最后，在晶体管的源级加上一个电感器以同时实现阻抗匹配和噪声匹配。最终测量结果显示了设备良好的噪声性能和驻波比。
2分析与设计
在不同的低噪放结构中，由于级联结构在增益和噪声上的突出特性得到广泛的应用。在级联结构中，共源晶体管为低噪放提供足够的增益，共栅晶体管用来减少由晶体管产生的密勒效应，并提高整个电路的隔离特性。这种结构有一个重要特性就是相比于共源低噪放，它的输出阻抗特别高。众所周知，放大器的电压增益如下所示：AV=GmRout在这个等式当中，Gm由晶体管决定，它是偏置电流、元件容量等设计的折中。所以提高电压增益的最好方法就是尽量增加Rout。与共源结构相比，共栅晶体管表现出很高的输出阻抗。在级联结构中，假定所有的晶体管工作在饱和区，那么我们可以得到电压增益如下所示：AV=gm2ro2gm1ro1从这个式子可以清楚的看到，级联电压增益相比于共源结构提高了gm2ro2时间，但是增益带宽积仍然不变，这意味着这个低噪声放大器应工作在一个较低的频率。另外一个低噪放设计的关键之处是稳定性问题。我们用到的是电感负反馈技术。这种技术是在源级引入一个小电感以提供负反馈。这个电感不仅在稳定电路中起作用，而且有助于实现输入级的噪声匹配。该电感的重要指标是它的品质因数Q。电感器等效电路中的噪声电阻对噪声系数影响显著。除了电感负反馈技术，还用到了RC反馈结构来抑制高频振荡。通过合理的RC赋值，可以手动选择反馈频率。该反馈电路可以阻低频和反向传递高频率信号。该负反馈结构确保低噪放的稳定性和防止振荡。输入噪声匹配和输出阻抗匹配采用的是LC无源集成电路。在MMIC设计中，GaAs放大器的直流偏压一直是个不可忽视的难题。在传统设计上，是通过给晶体管提供负偏压来驱动晶体管工作在饱和区。但是，通过自偏置技术，可以只需要一个直流电压Vcc，这在应用上是个很大的方便。在这种技术中，直流电压通过一个电阻分压结构给共栅晶体管馈电，通过选择合适的电阻阻抗，可以使得整个芯片在同一温度工作在准确的电压上。图1为WIN公司采用0.15umGaAs技术生产的低噪放芯片。整个芯片的面积为1.5mm。从仿真结果可以看出，在工作带宽内峰值增益高达22.5dB，因此可以有效的抑制电路第二阶的噪声影响。在2.3GHz处输入、输出的回波损耗达到最小值。测试的结果和仿真结果有细微偏差。图2展示的是稳定系数的仿真结果，从数据可以看出通过RC反馈结构和源级电感负反馈结构，稳定系数大于1。在整个工作频率直到40GHz带宽内，低噪放电路都能确保稳定，由此印证了所述结构的有用性。图3展示了低噪放的仿真和测试噪声系数。为了排除环境对噪声系数的影响，这个低噪放单片电路并没有进行在片测试，而是安装在波导腔内进行测试。从仿真结果数据可以看出，在2.2GHz处的噪声系数达到一个最小值0.813dB。测试结果表明，在2.5GHz处包括同轴连接器损耗在内的噪声系数为1dB左右，高于仿真结果。一个可能的原因是由于加工误差，电感器和电容器的值有所变化。
3结论
我们采用WIN0.15umGaAs工艺，设计了一款S波段GaAsMMIC宽带低噪放。这个低噪放采用源级电感负反馈技术和RC反馈结构保证稳定性，采用LC滤波器方法进行阻抗匹配和电压分压结构提供直流自偏置电压。增益和噪声显示了良好的工作特性，和仿真结果有细微差异。
内蒙古职称作者：丁勇 吉宗海 柳勇 方立军 单位：中国电子科技集团第三十八研究所