p波段低噪聲放大器的性能優化設計及版圖實現畢業設計-資料下載頁

　　

【正文】 版社，2006.[11] 鄭磊．微波寬帶低噪聲放大器的設計[D]．成都：電子科技大學，2006.[12] [M].北京：機械工業出版社，2006.[13] Carvalho N B, Pedro J C, Martins J P. A corrected microwave multisine waveform generator[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory amp。 Techniques, 2006, 54(6): 2659 2664.[14] 《中國集成電路大全》：國防工業出版社，1995.[15] Pavio A M J. A Network Modeling and Design Method for a 2 18Ghz Feedback Amplifier[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques, 1982, 30(12):2212 2216.[16] 李智群，[M].北京：科學出版社,2008．[17] [M].北京：人民郵電出版社，2010.[18] 劉長軍，黃卡瑪，[M].北京：科學出版社，2005.[19] Gilmore R, Besser L,[M].北京：電子工業出版社，2006. [20] [M].北京：電子工業出版,2010.附錄11～25GHz的氮化鎵高電子遷移率晶體管單片微波集成電路的低噪聲放大器Mingqi chen，學生會員，IEEE，William Sutton, Ioulia Smorchkova, Benjamin Heying，WenBen Luo，高級會員，IEEE,Vincent Gambin, Floyd Oshita,，Roger Tsai, Michael Wojtowicz，Reynold Kagiwada， Life Fellow，IEEE，Aaron Oki, Fellow，IEEE，and Jenshan Lin， Fellow，IEEE.摘要:本文使用氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)技術提出了一種超寬帶低噪聲信放大器(LNA)。通過使用一個可調節的電阻反饋拓撲結構實現了3dB的帶寬的，頻率范圍為1～25 GHz，以及13dB的峰值功率增益。利用幾個帶寬增強技術獲得了很大的帶寬。把一個電感連接到輸入晶體管，確保了在整個帶寬內有良好的輸入匹配（9dB）。并聯反饋回路和感電感的源變性最小化所需的電感值。該氮化鎵高電子遷移率晶體管低噪聲放大器被認為在有報告日期的所有的氮化鎵高電子遷移率晶體管單片微波集成電路中有最大的帶寬。，最大輸出參考的1dB壓縮點為20dBm的，這種單片微波集成電路放大器擁有可以與分布式放大器相媲美的性能，但有更低的功耗和更小的面積。關鍵詞：氮化鎵； 低噪聲放大器（LNA）； 電阻反饋； 寬帶I、介紹未來射頻前端系統，如先進的頻率敏捷的系統和軟件定義的無線電，需要超寬帶（UWB），高增益，高線性度和低噪聲。據報道，氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT器件）能夠同時擁有低噪聲和高功率的性能[1],[2]。這兩個優異的特性可以淘汰過濾器和在低噪聲放大器（LNA）之前的任何其它保護電路，從而減少了噪聲系數和復雜性，同時提高整個接收機的可實現的帶寬。對于設計超寬帶低噪聲放大器，共柵，電阻反饋和分布式結構是最流行的方法。該共柵結構的輸入跨導（）受輸入匹配（1/）的限制，為了保證在寬帶內有較低的噪聲系數，其在漏極的負載必須足夠大，這就使設計更加復雜。分布式結構以大功率和面積消耗為代價，同時獲得多倍頻程的帶寬和兩個端口的匹配。Kobayashi等人對最寬的帶寬的分布式放大器進行了論證[3]。最近，幾個具有寬帶寬、低噪聲系數、更低的功耗和面積消耗的電阻反饋式氮化鎵單片微波集成電路（MMIC）低噪聲放大器已經被報道了[4][6]。在本文中，第一個氮化鎵單片微波集成電路低噪聲放大器雖然沒有使用分布式架構，結果卻優于報道過的頻率為20 GHz、有3dB帶寬的低噪聲放大器。作者認為，在迄今為止報道所有的氮化鎵高電子遷移率晶體管單片微波集成電路低噪聲放大器之間，該放大器在整個帶寬內具有最大增益平坦度，具有良好的輸入和輸出匹配，比以前報道的分布式放大器相比有較低的功耗[3]。II、氮化鎵高電子遷移率晶體管單片微波集成電路過程與電路設計 使用諾斯羅普格魯曼公司空間技術和有兩個金屬層，包括空中橋梁，薄膜電阻和金屬絕緣體金屬電容器的氮鎵鋁/氮化鎵高電子遷移率晶體管制作氮化鎵單片微波集成電路低噪聲放大器[7]。在半絕緣性碳化硅基板上的氮鎵鋁/氮化鎵材料是通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）形成的。典型二維電子氣（2DEG）為，在室溫下流動性為。峰值跨導和電流增益頻率分別約為300和70。圖21 氮化鎵高電子遷移率晶體管單片微波集成電路低噪聲放大器的簡化示意圖（所有的傳輸線TL15都有20的相同的寬度）低噪聲放大器的簡化示意圖如圖21所示。寬帶功率增益和輸入匹配是基于并聯反饋電阻。添加電容器、反饋電阻串聯和分流電阻為M1處提供負偏壓。為了簡化外部偏置網絡，連接兩級的柵極偏壓，使得只需要一個柵極偏置電壓。在M1串聯的柵極電感顯著提高了帶寬。傳輸線，TL13，當頻率高于15GHz時，作為電感器，通過延遲的高頻電流變化來擴大帶寬。因此，在每個節點處的寄生電容是由更多的電流在相同的時間量充電。換句話說，傳輸線增加了高頻響應，而減小低頻部分的影響。最后，在超寬的帶寬內實現了平坦的增益。仿真結果如圖22所示，TL1在M1的漏極節點顯著增加了帶寬，并且加入電感器基本上改善在中間和高頻率時的輸入匹配。和因并聯反饋回路有較小的值。圖22 由于TL1和Ls而帶寬增強的仿真結果III、仿真和測量結果模具照片圖31所示。片上測量結果分別如示圖32，33,34。圖32顯示出了仿真的和實際測量的S參數之間的良好的一致性。所測量在是帶寬內比較平坦，在10GHz達到13dB的峰值，在25GHz時下降到3dB。 GHz的頻帶范圍內低于10dB， GHz的帶寬內低于9dB，這顯示了良好的輸入匹配。從測得的S參數計算穩定系數，表明該低噪聲放大器的帶寬內無條件穩定。仿真結果表明，在帶內和帶外都實現了無條件穩定。 dB，如圖33所示，在10～21GHz頻帶內，噪聲系數平坦。柵極偏置電壓的設計是為了使噪聲系數最接近的最小噪聲系數。圖31 設計的低噪聲放大器的模具照片，（右下角的X和Y的標簽是不正確的）圖32 S參數的仿真和測量結果圖33 從1到21GHz的噪聲系數的仿真和測量結果圖34 在22GHz的基本輸出功率和輸出三階交調截取點線性特性三階交調截取點（IP3）和1dB壓縮點作為的函數已經被測量。用有11MHz間隔的兩個射頻源供入LNA輸入以獲得IP3，而一個單一射頻源被用于1dB壓縮點。圖34顯示了基本輸出功率和輸入功率在22GHz的三階互調失真（IMD3）。圖35所示，在整個帶寬內， dBm， dBm。 V的漏極電壓來偏置。整個芯片從電源供給處消耗75mA，導致功率消耗900mW，這比以前公布的具有相似增益和3dB帶寬的氮化鎵單片微波集成電路低噪聲放大器都低。表31比較了該低噪聲放大器與最近公布的氮化鎵高電子遷移率晶體管單片微波集成電路低噪聲放大器。為公平的比較，該帶寬由3dB的功率帶寬確定該功率帶寬具有6dB或者更低的輸入匹配。最大噪聲系數，最小的三階互調失真和帶寬內輸出1dB壓縮點都被使用了。圖35 輸出三階交調截取點和輸出1dB壓縮點 表31 與最近的低噪聲放大器的性能比較 BW(GHz)S21(dB)NF(dB)OIP3(dBm)OP1dB(dBm)Power（mW）TopologyGaN HEMT本次工作12513900反饋[4]41000反饋3500反饋[5]184191000反饋[6]24**150共源級[7]800共源級雙重門[3]02016*36269000分布式020*3612000分布式所有數據均是在晶片上測量得到的。*小信號s參數是在16V的低漏極電壓之下的。**OIP3是在單一頻率6GHz下測得的。IV、結論。這個設計是基于電阻反饋架構的。為了擴展傳統電阻反饋放大器的頻率響應，同時完善輸入匹配，兩個電感器和傳輸線分別串聯連接在輸入晶體管的三個端子上。所有的電感器值由兩個反饋機制來最小化，這導致放大器有比分布式體系結構小得多的面積。有了良好的雙端口匹配、隔離和穩定性，低噪聲放大器獲得一個相對平坦的功率增益，超過125 GHz帶寬，最大功率增益為13dB，，最大輸出1dB壓縮點為20 dBm，以及低功耗和小的芯片面積。參考文獻[1] . 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