您的当前位置：首页正文

单片低噪放设计

来源：画鸵萌宠网

第21卷　第3期

2001年8月

Vol.21,No.3固体电子学研究与进展　　　　　　

Aug.,2001RESEARCH&PROGRESSOFSSES波段PHEMT单片低噪声放大器

岑元飞　陈效建　王军贤　高建峰　林金庭

(南京电子器件研究所,210016)

19990527收稿,19991111收改稿

摘要:采用PHEMT结构实现小电流、驻波性能优异的单片S波段低噪声放大器。利用HP

IC2CAP软件系统提取PHEMT管芯的EEHEMT1模型参数,并结合HP2EEsofSeriesIV软件的

优化设计,及CadenceLayout版图设计,最终在󰂡76mm的MBE圆片上实现了单片电路。该单片在无任何调配的情况下,成功地应用于单片接收机前端中。

关键词:赝配高电子迁移率晶体管;低噪声;放大器;模型;单片集成电路

中图分类号:TN722.3　　文献标识码:A　　文章编号:100023819(2001)032271205

S-bandPHEMTMonolithicLowNoiseAmplifier

CENYuanfei　CHENXiaojian　WANGJunxian　GAOJianfeng　LINJinting

(NanjingElectronicDevicesInstitute,210016,CHN)

Abstract:AS2bandMMIClownoiseamplifierwithsmallcurrentandperfectVSWRhasbeenaccomplishedinPHEMTstructure.WiththeEEHEMT1modelparametersextractedfromPHEMTchipusingHPIC2CAPsoftwaresystem,anddesigningofHP2EEsofSeriesIVandCadenceLayout,itsMMICwascompletedin

󰂡76mmMBEwafer.TheMMIChasbeensuccessfullyappliedinaMonolithic

.ReceiverFront2endwithoutanymodulations

Keywords:PHEMT;lownoise;amplifier;model;MMICEEACC:1220

1　引　　言

在接收机前端中广泛使用低噪声放大器,而且对它的各种性能指标要求也很严格,如低输入输出驻波比、低噪声系数、高增益及低功耗等,因此合理选取有源器件和电路拓扑结构就显得十分重要。同时,要考虑到使用的方便性和灵活性,并在电路设计和版图布局中加以体现,如采用多偏置网络和结合工艺的成品率分析和优化,以满足单片电路设计的每一次成功率。由于本文要实现的单片低噪声放大器要求很高,因此采用了MBE材料的PHEMT单片电路结构,并在电路实现过程中还采用了源电感反馈技术。

272　固　体　电　子　学　研　究　与　进　展　　　　　　　　　　　21卷

2　有源器件的选取

系统对该单片低噪声放大器的要求比较高,特别是要具有小的工作电流下的优异性能指标,这一点相对于MESFET结构来说困难会很大,而基于GaAs󰃗AlGaAs异质系统的传统HEMT也有较大的限制,如只能得到较小的2DEG密度[1,2]。而PHEMT结构可以有效地改善传统HEMT的这个限制,使得器件能在比较宽的工作电流范围内,同时获得较小的噪声系数和较好的输出特性。因此,采用PHEMT结构就比较合适。

Si2GaAsAlGaAsSi(∆)AlGaAsGaAsInGaAsiGaAsSi(∆)GaAsBufferwithSLsiGaAsSI2GaAs

图1给出了文中采用的Al0.3Ga0.7As材料系统的双图1　双∆2PHEMT结构示意图∆2PHEMT结构示意。Fig.1　Structureschematicofdouble

∆2PHEMT

3　有源器件PHEMT的模型参数提取

由于有源器件的模型参数精确与否将直接影响到电路的最终实现,所以必须在电路设计过程中利用所需的PHEMT管芯参数。

参数的提取方法可以有很多,如通过已有的经验公式直接进行外推得到,但需要有详细的器件物理参数和结构参数,有一些软件如POSES等就可以进行这方面的工作,但难以和实际的器件参数有较好的吻合。相比较而言,采用工程概念上的方法进行该工作就显得比较合适,也就是文中所采用的方法。

该模型参数的提取工作是在结合标准工艺线建模的基础上开展的,利用由HPIC2CAP软件、HP4142B偏置仪、WILTRON矢网等组成的模型参数提取系统,在片微波探针的校准测试技术等,较成功地提取了PHEMT管芯的EEHEMT1模型参数。根据功耗等方面的要求,电路中采用的器件为栅长0.5Λ单指栅宽50Λm、m,单元数为6的PHEMT管芯结构。EEHEMT1是一个经验解析模型,目的是拟合实测HEMT器件的电性能,并用模型方程去表征。该模型包括以下几个方面的特点[3]:1)精确的等温源漏电流模型;2)源漏电流的自热

修正;3)能精确满足实测电容值的电荷模型;4)能同时拟合高频电导和直流电性能的色散模型;5)描述栅漏电流与Vgs和Vds的击穿模型;6)具有外推测量范围以提取模型的能力。并通过对器件不同DC󰃗电荷参数、色散参数及HEMT跨导Gm的AC的测量,来提取源漏电流参数、压缩参数等。可以看出EEHEMT1是非线性模型,但完全可以用于线性分析。

图2给出了在片测试的直流和微波几个主要的实际测试和模型参数拟合曲线。图2(a)、(b)、(c)分别为对应模型与实测S21、S12、S11和S22的拟合曲线;(d)为DC2IV(Ids2Vds)关系的拟合曲线;(e)为Gm与Vg关系的拟合曲线;(f)为不同漏压下的夹断特性拟合曲线;(g)为Ig与Vg对数关系的拟合曲线;(h)为一定漏压下的Ids与Vgs关系的拟合曲线。从这些DC与AC的拟合曲线可以看出,利用EEHEMT1模型可以较好地表征所采用的PHEMT器件特性,可以很好地应用于放大器的小信号分析中。

3期岑元飞等:S波段PHEMT单片低噪声放大器273　

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f)

(g)(h)

图2　实际测试和EEHEMT1模型参数拟合曲线

Fig.2　ThecomparisoncurvesofpracticalmeasurementsandEEHEMT1modelingparameterssimulations

274　固　体　电　子　学　研　究　与　进　展　　　　　　　　　　　21卷

4　电路设计理论和方法

在低噪声放大器的设计过程中,经常会遇到这样的问题,即如何才能使得电路最佳噪声匹配点和输入的共轭匹配点最为接近。通常,对噪声系数有:

(1)F=Fmin+4Rn󰃜#s-#opt󰃜󰃗[(1-󰃜#s󰃜)2󰃜1+#opt󰃜2]其中:Fmin为最佳噪声系数;#s为任意源反射系数;#opt为最佳噪声源反射系数;Rn为器件的等

效噪声电阻。

一般情况下,#s与#opt的差别很大,电路设计是往往只能对噪声和输入驻波特性进行折衷考虑,但往往会影响到电路的整体性能。但是,通过在有源器件的源端引入串联反馈电感的方法,可有效地改善这种情况[4]。从器件简单的等效电路出发,很容易得知其输入阻抗会随着输出负载及串联反馈而改变,而器件所固有的最佳噪声阻抗仅仅取决于串联反馈部分。因此,在电路中可以通过反馈电感的恰当选取,使得两者共轭相等,从而达到在具有较好输出特性(小的输入驻波比)的同时,获得好的噪声性能。

图3给出了单片电路实际采用的电路拓扑结构。

图3　放大器的拓扑结构

Fig.3　SchematicstructureofLNA

在利用提取的模型参数的基础上,对电路进行了整体设计和优化,也包括了成品率优化分析,考虑到了工艺实现的容差,保证了电路设计和制作的成功率。最终的电路优化结果如图4所示,在整个设计范围内都较好地满足要求。

5　实验结果和分析

单片电路的版图是在Cadence的Layout中生成,工艺实现在󰂡76mm的

图4　CAD优化结果与实测值

MBE圆片上完成,MMIC低噪声放大器

Fig.4　ResultsofCADoptimizationandmeasurement

的芯片照片如图5所示,外形尺寸为

3期岑元飞等:S波段PHEMT单片低噪声放大器275　

1.8mm×2.0mm。

单片电路的测试在HP8970自动噪声测试仪及HP8510C矢量网络分析仪上进行,由于电路中采用了偏置网络结构,使得单片按照给定的正电源+5V,负电源-5V就能正常工作,实际工作电流可控制在20mA左右,较好地达到了系统分析的要求。

得到的主要测试性能指标为:工作频率1.8～2.8GHz范围内,输入与输出驻波比小于1.3,增益约25dB,噪声系数小于1.5dB(带内最好达1.2dB)。可见,电路的设计基本达到了系统规定的目标,并能够和提取的模型参数的电路设计较好地吻合。

图5　低噪声放大器的芯片照片

Fig.5　PhotographofLNAchip

6　结　论

该单片低噪声放大器在与系统中其它单片电路的组成过程中,由于其优良的驻波特性,在无任何调配的情况下就取得了成功,表明整个设计过程的正确性和准确性。

本工作得到了NEDI󰂡76mmGaAsMMIC研制开发线及CAD中心的大力支持。

参考文献

1　RobertsonID.MMICDesign,theInstituteoftionofMESFETs,HEMTsandHBTs,Artech

～35ElectricalEngineers,London,1995:34

2　AnholtRE.ElectricalandThermalCharacteriza2

～160House,INC.London,1995:149

3　HEWLETTPACKARD.High2FrequencyModelTutorials

HP85190A

IC2CAP

SoftwareUser′s

岑元飞(CENYuanfei))　男,出生于Manual

1970年,1991年毕业于西安交通大

4　LehmanRE,HestonDD.X2bandmonolithic

seriesfeedbackLAN.IEEETransonMicrowave

学电子工程系半导体物理与器件专业,获工学学士学位;1994年在南京电子器件研究所获硕士学位。现主要从事微波单片集成电路的研制和开

发,及标准工艺线的器件模型提取和开发工作。

～1566TheoryTech,1985;MTT-33:1560

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文