4～8 GHz寬帶單片集成低噪聲放大器設(shè)計(jì)

摘要 基于0．15μm GaAs PHEMT工藝設(shè)計(jì)了一款C波段寬帶單片集成低噪聲放大器。電路由三級(jí)放大器級(jí)聯(lián)而成，三級(jí)電路結(jié)構(gòu)均使用電阻自偏壓技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)單電源供電，它既可保證PHEMT管處于低噪聲高增益的工作點(diǎn)，又可將所有元器件集成在單片GaAs襯底上，解決了供電復(fù)雜的問(wèn)題。第三級(jí)電路采用了并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，降低了帶內(nèi)低頻端增益，提高了高頻端增益，從而改善了增益平坦度。利用微波仿真軟件AWR對(duì)電路進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，結(jié)果顯示，在4～8GHz頻帶內(nèi)，噪聲系數(shù)1．4dB，增益達(dá)23±0．5dB，輸入輸出駐波比2．0：1。
關(guān)鍵詞 自偏置；低噪聲放大器；PHEMT；單片微波集成電路；C波段

低噪聲放大器位于通信系統(tǒng)接收機(jī)的前端，可使整機(jī)系統(tǒng)噪聲系數(shù)降低，從而提高系統(tǒng)接收靈敏度。隨著微波、毫米波技術(shù)的發(fā)展，接收機(jī)系統(tǒng)對(duì)低噪聲放大器工作頻帶及噪聲系數(shù)等性能的要求不斷提高。
寬帶低噪聲放大器中，由于場(chǎng)效應(yīng)管柵極-漏極電容的存在，功率增益隨頻率的增加以大約6 dB／倍頻的斜率下降，而且?guī)拑?nèi)增益不穩(wěn)定。增益補(bǔ)償?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/寬帶">寬帶技術(shù)通常有4種電路形式：有源匹配式、電阻性阻抗匹配式、平衡電路式、行波式、負(fù)反饋式。負(fù)反饋式電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、成品率較高，對(duì)于單片低噪聲放大器而言，采用負(fù)反饋式結(jié)構(gòu)是較為普遍的方式。
近年來(lái)，基于GaAs HEMT工藝，采用負(fù)反饋技術(shù)的X、K、W等各波段寬帶單片低噪聲放大器皆有報(bào)道。文獻(xiàn)提出一種C波段內(nèi)5～6 GHz寬帶單片低噪聲放大器，采用GaAs PHEMT工藝，利用負(fù)反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)良好的性能。然而工作于4～8 GHz頻段，帶寬達(dá)4 GHz的單片微波集成低噪聲放大器幾乎未曾報(bào)道。
文中提出一款采用負(fù)反饋技術(shù)、具有自偏置結(jié)構(gòu)的4～8 GHz寬帶單片低噪聲放大器。該放大器的單電源供電，與雙電源供電相比，無(wú)需外接復(fù)雜的時(shí)序電源電路來(lái)實(shí)現(xiàn)正、負(fù)壓按次序接入放大器的功能，既可保證PHEMT管處于低噪聲高增益的工作點(diǎn)，又可將所有元器件集成在單片GaAs襯底上，使用方便。整個(gè)電路具有寬頻帶、高穩(wěn)定性、低噪聲、高增益等優(yōu)良特性。

1 電路設(shè)計(jì)
1．1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
根據(jù)級(jí)聯(lián)放大器噪聲系數(shù)表達(dá)式

可知，第一級(jí)的噪聲系數(shù)和增益基本決定了整個(gè)電路的噪聲系數(shù)。本設(shè)計(jì)的三級(jí)放大電路中，在第一級(jí)電路中的晶體管源極添加合適的反饋電感L1，使晶體管最佳噪聲匹配點(diǎn)與最佳駐波匹配點(diǎn)更接近，從而使放大器噪聲匹配更容易，尤其在帶寬較寬的情況。三級(jí)電路都采用了電阻自偏壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在第三級(jí)PHEMT管柵極和漏極之間接入RLC并聯(lián)電路以獲得良好的增益平坦度。
各級(jí)輸入匹配采用T型寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，第一級(jí)輸入匹配采用噪聲匹配，其他輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用共軛匹配，使放大器能夠同時(shí)擁有低噪聲系數(shù)和高功率輸出能力。為了便于級(jí)聯(lián)，輸入、輸出端都以50Ω串聯(lián)電阻為標(biāo)準(zhǔn)，并在級(jí)聯(lián)間加入電容以阻隔后級(jí)的直流偏置。圖1給出了三級(jí)低噪聲放大器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，虛線框(a、b、c)為電阻自偏壓電路，虛線框(d)為并聯(lián)負(fù)反饋電路。

1．2 理論分析
常見并聯(lián)負(fù)反饋的單級(jí)放大器結(jié)構(gòu)及理想小信號(hào)模型如圖2(a)，圖2(b)所示。在柵極和漏極之間添加由電容Cf和電阻Rf串聯(lián)形成的反饋支路，Rf為反饋電阻，電容Cf主要起隔斷直流的作用。