宽带放大器的设计方法以及仿真

2021-03-31
分(fēn)布式放大器能(néng)提供很(hěn)宽的频率范围和较高的增益。有(yǒu)一段时间，其设计通常采用(yòng)传输線(xiàn)作為(wèi)输入和输出匹配電(diàn)路。随着砷化镓(GaAs)微波单片集成電(diàn)路的发展成熟，為(wèi)了提高效率、输出功率、减小(xiǎo)噪声系数，人们提出了很(hěn)多(duō)种放大器電(diàn)路类型，但是分(fēn)布式放大器仍然是宽带電(diàn)路(如光通信電(diàn)路)的主流设计。理(lǐ)解砷化镓微波单片集成電(diàn)路GaAs MMIC分(fēn)布式放大器的设计，对很(hěn)多(duō)宽带電(diàn)路的应用(yòng)都会有(yǒu)很(hěn)大的帮助。

约翰·霍普金斯大學(xué)从198?年开始就开设了MMIC设计课程，并在让學(xué)生在TriQuint公司的产線(xiàn)上流片。一款由Craig Moore(从198?年到2003年，他(tā)一直担任该课程的助教)设计的分(fēn)布式放大器作為(wèi)该课程一个经典的设计例子。该设计甚至经历了低温环境实验，在液氮的低温下表现出更低的噪声系数。该放大器采用(yòng)TriQuint公司的0.5μm GaAs MESFET工艺，其增益比基于0.5μm GaAs伪高電(diàn)子迁移率晶體(tǐ)管PHEMT的新(xīn)電(diàn)路略低，2006年的新(xīn)课程中则采用(yòng)了新(xīn)版本的0.5μm GaAs PHEMT分(fēn)布放大器和一些其他(tā)電(diàn)路作為(wèi)例子。本文(wén)将介绍宽带放大器的设计方法以及仿真和实测的结果。



分(fēn)布式放大器使用(yòng)宽带传输線(xiàn)给一组有(yǒu)源器件注入输入信号(如图1)，同时另一条并行的传输線(xiàn)用(yòng)于收集各个有(yǒu)源器件的输出信号，并将其叠加。每一级提供相当的增益，但是增益分(fēn)布在一个很(hěn)宽的频率范围内。和级联设计相比，总增益是各级增益之和，而不是各级增益的乘积。但使用(yòng)集总参数元件来近似分(fēn)布式传输線(xiàn)时(如图2)，集总参数传输線(xiàn)的到地并联電(diàn)容，被晶體(tǐ)管的寄生電(diàn)容代替。集总参数元件的等效传输線(xiàn)作為(wèi)一个低通滤波器使用(yòng)，其截止频率和晶體(tǐ)管的寄生電(diàn)容成反比。因此晶體(tǐ)管的尺寸直接决定了電(diàn)路的工作频率上限。设计总要综合考虑的各种参数包括：放大器的级数、有(yǒu)源器件的尺寸、器件的工艺类型(如果有(yǒu)多(duō)种类型)以及每一级的直流偏置。更多(duō)的级数意味着更大的增益-带宽积，但是也会引入更大的功耗。一旦晶體(tǐ)管的尺寸确定，就可(kě)以使用(yòng)仿真软件来优化增益、反射系数、输出功率和噪声系数等各项参数。


由于分(fēn)布式放大器的应用(yòng)场合很(hěn)多(duō)，对各项性能(néng)指标的要求很(hěn)灵活，宽带增益是其中最重要的一项指标。在Craig Moore这个设计例子中，采用(yòng)了增强型PHEMT器件，因為(wèi)增强型器件只需要一组正電(diàn)压供電(diàn)。為(wèi)了能(néng)提供和198?年TriQuint半导體(tǐ)公司采用(yòng)的0.5μm GaAs MESFET工艺的電(diàn)路相同的性能(néng)，该设计采用(yòng)了0.5μm GaAs PHEMT工艺，并且使用(yòng)3级晶體(tǐ)管放大拓扑。為(wèi)了适应電(diàn)池供電(diàn)的应用(yòng)，选用(yòng)3.3V電(diàn)压。当然為(wèi)了满足不同的客户需求，工作電(diàn)压和電(diàn)流可(kě)以方便的在较大范围内调节。在1.5V和14mA的供電(diàn)下，仿真结果显示：仅损失了2dB增益，并且栅電(diàn)压在1.5V到5.0V，漏极電(diàn)流在14~35mA之间变化时，性能(néng)的变化也很(hěn)小(xiǎo)。為(wèi)达到最佳增益、匹配性能(néng)，采用(yòng)安捷伦?司的计算机辅助工程软件ADS进行線(xiàn)性仿真，确定合适的電(diàn)感值、PHEMT尺寸。



通过理(lǐ)想的仿真计算，该设计选用(yòng)了6×30μm的增强型PHEMT器件，Craig Moore的198?年的设计中在MESFET管的漏极增加了一些额外的匹配元件，以保证有(yǒu)效输出電(diàn)容和栅极输入容抗相同。此时输入和输出的集总参数传输線(xiàn)将是对称的，其相位延迟也相同。文(wén)章还比较了这种输入输出传输線(xiàn)对称的匹配方案和另一种漏级電(diàn)容独立优化的方案(漏极電(diàn)感和栅极不对称)。对于这个简单的3级PHEMT设计，栅极和漏极输入線(xiàn)的相移差别很(hěn)小(xiǎo)，这里就采用(yòng)较简单的非对称方案。如果输入输出传输線(xiàn)的相位差较大，这种方案的就不能(néng)有(yǒu)效的合并各级的增益。下一步使用(yòng)TriQuint公司提供的電(diàn)感、電(diàn)阻、電(diàn)容以及互连線(xiàn)模型取代理(lǐ)想元件，进行更真实的仿真。图3显示了期望的最终放大電(diàn)路的增益、匹配度、稳定因子和噪声系数。仿真中采用(yòng)了30mA和3.3V的直流偏置设计，以限制其功耗在100mW以内，并实现了输出功率和三阶互调截止点的折中。图4是该電(diàn)路的版图，同时还包含了两个有(yǒu)探针接入端的测试模型管：一个是设计中采用(yòng)的6×30μm增强型PHEMT，另一个是普通的6×50μm耗尽型PHEMT。



一个典型的分(fēn)布式放大其中有(yǒu)一半的功率被输出传输線(xiàn)的50欧负载所吸收，為(wèi)了提高输出效率，人们通常采用(yòng)一些技巧，如渐缩型传输線(xiàn)方法。本设计采用(yòng)了50欧姆输入输出線(xiàn)，為(wèi)了减少DC功率的消耗，该传输線(xiàn)的一端的50欧姆终结负载和一个较大的電(diàn)容(25pF)串联后，再通过通孔接地，这样既能(néng)保证射频信号接地，又(yòu)能(néng)实现隔直流的效果。漏极较大的直流供電(diàn)電(diàn)流只流经低阻抗的電(diàn)感元件，而不是50欧的终结负载(如图5)，这样可(kě)以有(yǒu)效的减小(xiǎo)50欧终结電(diàn)阻上的功耗。这里漏极電(diàn)感的大小(xiǎo)也是一个重要的设计参数，该電(diàn)感直接影响電(diàn)路在1GHz附近的低频滚降速度，如果增大電(diàn)容将会减小(xiǎo)滚降速度，但是同时会增加串联電(diàn)阻，从而提高直流功耗，而且较大的電(diàn)感也会增大版图面积。

在提交产線(xiàn)流片之前，各设计还必须经过严格的设计规则检查DRC(design-rule check)，自198?年第一次MMIC设计课程开始，约翰·霍普金斯大學(xué)就采用(yòng)ICED(ICEDitor)软件，并采用(yòng)TriQuint提供的DRC规则进行设计规则检查。另外还使用(yòng)了“版图转電(diàn)路图”LVS(Layout Versus Schematic)工具进一步比较从ADS中提取出来的网表是否符合ICED软件中的实际電(diàn)气连接。有(yǒu)时设计虽然能(néng)通过DRC检查，但是仍然会有(yǒu)一些致命的错误，只有(yǒu)LVS工具才能(néng)发现这些问题。新(xīn)版本的ADS已经具备内置的连接性检查功能(néng)，可(kě)以排除一些连接性错误，但是外部的LVS检测仍然是很(hěn)有(yǒu)必要的。



MMIC建模非常复杂，例如，在仿真时是否可(kě)以忽略互连線(xiàn)的影响。忽略互连線(xiàn)可(kě)以极大的简化设计，而且在2.4GHz以下，互联的影响很(hěn)小(xiǎo)。通常这些互联微带線(xiàn)的模型都是在其長(cháng)度超过几倍衬底厚度的情况下建模的，而实际MMIC设计中很(hěn)少会发生这种情况。典型的微带線(xiàn)模型一般都会高估其長(cháng)度(即電(diàn)感)效应。另外，还要考虑是否需要一个電(diàn)磁仿真，以确保原始设计中忽略的寄生参数不会有(yǒu)太大的影响。除非设计者确实想压缩版图面积，否则采用(yòng)3到5倍的線(xiàn)宽(而不是3到5倍的衬底厚度)做為(wèi)元件间隔，一般都不会有(yǒu)问题。

尽管单独的6*30μm PHEMT模型管的实测值和仿真结果很(hěn)吻合，但是把晶體(tǐ)管的实测数据带入電(diàn)路进行二次仿真，确实得出了更接近实测值的高端滚降特性。设计者再次使用(yòng)了Sonnet公司的電(diàn)磁仿真软件，以5平方微米的分(fēn)辨率以及100μm的衬底厚度对整个设计进行電(diàn)磁仿真。对于Sonnet软件，这个電(diàn)路面积相对较大，以至于必须分(fēn)割成两个子块来分(fēn)析。使用(yòng)Sonnet電(diàn)磁仿真结果加上实测的晶體(tǐ)管参数，得出的整个電(diàn)路的各项指标和实际测试值吻合。Sonnet软件的仿真结果和ADS的二次仿真结果也很(hěn)吻合(图12、13、14)，注意：增益和匹配在高频段(10GHz左右)形状相似，但是仍然略有(yǒu)差别。尽管这些差别很(hěn)小(xiǎo)，但是仍然有(yǒu)必要寻找这些差异的解释。约翰·霍普金斯大學(xué)MMIC學(xué)科(kē)的學(xué)生反而能(néng)从这些差别中學(xué)到更多(duō)东西。寻找这些差别的来源，更有(yǒu)利于增長(cháng)他(tā)们的设计经验。使用(yòng)TriQuint公司的产線(xiàn)為(wèi)其流片，并让學(xué)生参与成品的测试，使该项课程更具实际意义，因而得到了大家的一致好*。约翰·霍普金斯大學(xué)也对TriQuint、Agilent(原EEsof)和Applied Wave Research等公司的有(yǒu)力支持表示衷心的感謝(xiè)。


采用(yòng)PHEMT器件的分(fēn)布式MMIC放大器在1~10GHz的频率范围内显示出平坦的宽带增益，并且其噪声系数比以前的MESFET方案更小(xiǎo)。如设计所预期，0.5μm栅長(cháng)的PHEMT器件在3~3.3V，28~32mA的供電(diàn)条件下，取得了理(lǐ)想的增益和噪声性能(néng)，功耗仅為(wèi)100mW，且偏置范围有(yǒu)一定的调节空间(可(kě)以在20到175mW之间调节)。使用(yòng)模型管参数带入ADS和Sonnet软件再仿真的结果也和实测结果吻合。实测的输出功率、DC偏置和噪声系数等指标也和仿真结果吻合。分(fēn)布式放大器中，在输入输出馈線(xiàn)端使用(yòng)集总元件或分(fēn)布式传输線(xiàn)，以吸收晶體(tǐ)管的電(diàn)容的方法，可(kě)以广泛的应用(yòng)于其他(tā)的MMIC工艺和设计之中。