寬帶放大器的設計方法以及仿真

分布式放大器能提供很寬的頻率范圍和較高的增益。有一段時間，其設計通常采用傳輸線作為輸入和輸出匹配電路。隨著砷化鎵(GaAs)微波單片集成電路的發(fā)展成熟，為了提高效率、輸出功率、減小噪聲系數(shù)，人們提出了很多種放大器電路類型，但是分布式放大器仍然是寬帶電路(如光通信電路)的主流設計。理解砷化鎵微波單片集成電路GaAs MMIC分布式放大器的設計，對很多寬帶電路的應用都會有很大的幫助。

約翰·霍普金斯大學從198?年開始就開設了MMIC設計課程，并在讓學生在TriQuint公司的產(chǎn)線上流片。一款由Craig Moore(從198?年到2003年，他一直擔任該課程的助教)設計的分布式放大器作為該課程一個經(jīng)典的設計例子。該設計甚至經(jīng)歷了低溫環(huán)境實驗，在液氮的低溫下表現(xiàn)出更低的噪聲系數(shù)。該放大器采用TriQuint公司的0.5μm GaAs MESFET工藝，其增益比基于0.5μm GaAs偽高電子遷移率晶體管PHEMT的新電路略低，2006年的新課程中則采用了新版本的0.5μm GaAs PHEMT分布放大器和一些其他電路作為例子。本文將介紹寬帶放大器的設計方法以及仿真和實測的結(jié)果。

　　圖1：采用微帶傳輸線的分布式放大器電路結(jié)構(gòu)圖。

　　分布式放大器使用寬帶傳輸線給一組有源器件注入輸入信號(如圖1)，同時另一條并行的傳輸線用于收集各個有源器件的輸出信號，并將其疊加。每一級提供相當?shù)脑鲆?，但是增益分布在一個很寬的頻率范圍內(nèi)。和級聯(lián)設計相比，總增益是各級增益之和，而不是各級增益的乘積。但使用集總參數(shù)元件來近似分布式傳輸線時(如圖2)，集總參數(shù)傳輸線的到地并聯(lián)電容，被晶體管的寄生電容代替。集總參數(shù)元件的等效傳輸線作為一個低通濾波器使用，其截止頻率和晶體管的寄生電容成反比。因此晶體管的尺寸直接決定了電路的工作頻率上限。設計總要綜合考慮的各種參數(shù)包括：放大器的級數(shù)、有源器件的尺寸、器件的工藝類型(如果有多種類型)以及每一級的直流偏置。更多的級數(shù)意味著更大的增益-帶寬積，但是也會引入更大的功耗。一旦晶體管的尺寸確定，就可以使用仿真軟件來優(yōu)化增益、反射系數(shù)、輸出功率和噪聲系數(shù)等各項參數(shù)。

　　圖2：采用集總參數(shù)元件的分布式放大器電路結(jié)構(gòu)圖(其中CGS和CDS分別表示柵電容和漏極電容)。

　　由于分布式放大器的應用場合很多，對各項性能指標的要求很靈活，寬帶增益是其中最重要的一項指標。在Craig Moore這個設計例子中，采用了增強型PHEMT器件，因為增強型器件只需要一組正電壓供電。為了能提供和198?年TriQuint半導體公司采用的0.5μm GaAs MESFET工藝的電路相同的性能，該設計采用了0.5μm GaAs PHEMT工藝，并且使用3級晶體管放大拓撲。為了適應電池供電的應用，選用3.3V電壓。當然為了滿足不同的客戶需求，工作電壓和電流可以方便的在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在1.5V和14mA的供電下，仿真結(jié)果顯示：僅損失了2dB增益，并且柵電壓在1.5V到5.0V，漏極電流在14~35mA之間變化時，性能的變化也很小。為達到最佳增益、匹配性能，采用安捷倫?司的計算機輔助工程軟件ADS進行線性仿真，確定合適的電感值、PHEMT尺寸。

　　圖3：PHEMT分布式放大器的匹配、增益、噪聲系數(shù)和穩(wěn)定因子的仿真結(jié)果。