摘要 基于0．15μm GaAs PHEMT工藝設計了一款C波段寬帶單片集成低噪聲放大器。電路由三級放大器級聯而成，三級電路結構均使用電阻自偏壓技術來實現單電源供電，它既可保證PHEMT管處于低噪聲高增益的工作點，又可將所有元器件集成在單片GaAs襯底上，解決了供電復雜的問題。第三級電路采用了并聯負反饋結構，降低了帶內低頻端增益，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對電路進行了仿真和優(yōu)化，結果顯示，在4～8GHz頻帶內，噪聲系數<1．4dB，增益達23±0．5dB，輸入輸出駐波比<2．0：1。
關鍵詞 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)接收機的前端，可使整機系統(tǒng)噪聲系數降低，從而提高系統(tǒng)接收靈敏度。隨著微波、毫米波技術的發(fā)展，接收機系統(tǒng)對低噪聲放大器工作頻帶及噪聲系數等性能的要求不斷提高。
    寬帶低噪聲放大器中，由于場效應管柵極-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)拑仍鲆娌环€(wěn)定。增益補償的寬帶技術通常有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、負反饋式。負反饋式電路結構相對簡單、體積小、成本低、成品率較高，對于單片低噪聲放大器而言，采用負反饋式結構是較為普遍的方式。
    近年來，基于GaAs HEMT工藝，采用負反饋技術的X、K、W等各波段寬帶單片低噪聲放大器皆有報道。文獻提出一種C波段內5～6 GHz寬帶單片低噪聲放大器，采用GaAs PHEMT工藝，利用負反饋技術實現良好的性能。然而工作于4～8 GHz頻段，帶寬達4 GHz的單片微波集成低噪聲放大器幾乎未曾報道。
    文中提出一款采用負反饋技術、具有自偏置結構的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，無需外接復雜的時序電源電路來實現正、負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，又可將所有元器件集成在單片GaAs襯底上，使用方便。整個電路具有寬頻帶、高穩(wěn)定性、低噪聲、高增益等優(yōu)良特性。

1 電路設計
1．1 電路拓撲結構
    根據級聯放大器噪聲系數表達式
   
    可知，第一級的噪聲系數和增益基本決定了整個電路的噪聲系數。本設計的三級放大電路中，在第一級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與最佳駐波匹配點更接近，從而使放大器噪聲匹配更容易，尤其在帶寬較寬的情況。三級電路都采用了電阻自偏壓網絡結構，在第三級PHEMT管柵極和漏極之間接入RLC并聯電路以獲得良好的增益平坦度。
    各級輸入匹配采用T型寬帶匹配網絡，第一級輸入匹配采用噪聲匹配，其他輸入、輸出匹配網絡采用共軛匹配，使放大器能夠同時擁有低噪聲系數和高功率輸出能力。為了便于級聯，輸入、輸出端都以50Ω串聯電阻為標準，并在級聯間加入電容以阻隔后級的直流偏置。圖1給出了三級低噪聲放大器的電路拓撲結構圖，虛線框(a、b、c)為電阻自偏壓電路，虛線框(d)為并聯負反饋電路。

1．2 理論分析
    常見并聯負反饋的單級放大器結構及理想小信號模型如圖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。

    文獻給出小信號模型中PHEMT管的S參量表達式為
   
    由式(2)～式(4)可以發(fā)現，不考慮寄生參數時，S參數與頻率無關，增益和輸入輸出回波損耗比較穩(wěn)定。
    高頻時PHEMT的寄生參數對微波性能影響較大。由于柵源電容Cgs的存在，當反饋支路中的電阻Rf增大時，寄生參數的作用較明顯，放大器帶寬變窄，|S21|隨頻率滾降。為克服此缺點，文中采用負反饋單級放大器拓撲結構，如圖3所示。在反饋環(huán)中串接電感Lf，使帶內低頻端支路阻抗變小，反饋量增加；高頻端支路阻抗變大，反饋量減少。另外，串接電感補償了受PHEMT管寄生參數擾亂的S21相位，使反饋得以正
常進行。

    另外，文中結構采用電阻自偏壓技術，偏置由有源晶體管器件自身柵源極形成壓差作為負壓源，電壓值為-Vd，即Rd兩端電壓Vd的負值。源極串聯的電阻Rd引入了噪聲并導致增益下降，在電阻兩端接入一個旁路電容Cd，使射頻信號直接通過電容耦合到地而避免能量衰減。這種結構實現了單電源供電，與常見的雙電源供電方式相比，不需要為防止柵極受損、漏極過流而損壞，專門設計能保證負壓先、正壓后供電順序的特定電源電路，有效簡化了偏置網絡，減少了系統(tǒng)設計的難度。

2 仿真分析
    文中基于微波仿真軟件AWR Microwave Office，對放大器電路偏置工作點、穩(wěn)定性、噪聲系數以及S參數進行了仿真，并對仿真結果進行了分析。
2．1 偏置點選取
    偏置電路給場效應管提供一個直流工作點，直流工作點影響著最小噪聲系數與最大穩(wěn)定增益。設計中放大器三級晶體管均選用柵長為0．15μm、柵寬尺寸為4×50μm的PHEMT晶體管。對晶體管的直流工作點進行掃描，管芯的I-V特性曲線和最小噪聲系數(NFmin)、最大穩(wěn)定增益MSG隨VGS變化的曲線如圖4和圖5所示。

    從圖4和圖5可以看出，當VDS=2 V時，KGS為一0．3 V處的最小噪聲系數僅比最低點高0．02 dB，此時最大穩(wěn)定增益比最高點低1 dB。第一、二級放大器選取此工作點能夠兼顧噪聲系數與增益的要求，第三級考慮到放大器的線性輸出功率，選取偏置點為最大飽和漏極電流Idss的50％左右。最終實現5 V單電源供電下，直流供電電流為38 mA。三級PHEMT晶體管各級偏置如表1所示。

2．2 穩(wěn)定性分析
    在微波頻段，源極負反饋電阻兩端并聯的電容會使放大器在某些頻點產生自激振蕩，突變成振蕩器，嚴重時還可能燒毀芯片。為避免三級放大器在工作時起振，必須保證每一級晶體管以及整體電路都滿足絕對穩(wěn)定性的條件。
    文中在第一級晶體管源極串聯合適的電感，同時在放大器末級輸出端口接入阻性衰減器，以確保級聯放大器在所有頻率點絕對穩(wěn)定。穩(wěn)定性度量通常用穩(wěn)定因子K、B表示，若K>1，B>0，電路就能穩(wěn)定工作。圖6中電路穩(wěn)定性的仿真結果表明，在DC0～16 GHz頻率范圍內，穩(wěn)定因子K、B滿足條件，電路絕對穩(wěn)定。

2．3 仿真結果分析
    先后采用隨機法和梯度法來優(yōu)化電路，獲得電路優(yōu)化后的前仿真結果。考慮電阻、電感、電容等元件的寄生效應，對電路進行電磁場仿真，獲得噪聲系數、S參數的后仿真結果。前、后仿真結果對比如圖7和圖8所示。

    從圖7和圖8可以看出，后仿真結果與前仿真相比，4～8 GHz內，增益降低2 dB，噪聲系數約增加0．5 dB，這是由電路元件的寄生參數和相互間的電磁干擾造成的。仿真結果表明該寬帶單片低噪聲放大器的增益平坦度保持在0．5 dB以內，輸入、輸出駐波比<2。超寬帶、高增益、低噪聲的優(yōu)異性能使這款放大器具有實際應用價值。低噪聲放大器版圖如圖9所示。

3 結束語
    采用先進的0．15μm GaAs PHEMT工藝設計了一款4～8 GHz寬帶單片低噪聲放大器。此放大器無需任何片外匹配元件，單電源供電，能有效簡化系統(tǒng)的設計。仿真結果表明：工作頻率在4～8 GHz范圍內，放大器噪聲系數<1．4dB，增益約23dB，帶內增益起伏不超過0．5dB，輸入輸出駐波比<2，全頻帶內保持絕對穩(wěn)定，適用于C波段無線通信接收機系統(tǒng)。