利用GaAs PHEMT設計MMIC LNA

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　　在通信接收器中低噪聲放大器(LNA)對于從噪聲中析出信號十分關鍵。控制系統(tǒng)內噪聲還有其他技術，包括過濾和低溫冷卻，但低噪聲放大器的良好性能，提供了一種被實踐所驗證的可靠的管理通信系統(tǒng)噪聲的方法。隨之而來的是對工作于X頻段(8GHz)的低功率(電池供電)LNA設計的探索。設計比較了在目標是工作于的幾毫瓦DC電源的單片微波集成電路(MMIC)中，GaAs PHEMT增強型(E模式)和耗盡型(D模式)晶體管的使用。

　　低功率工作目標與處理不必要的(blocking)信號的應用相互矛盾。這類應用要求嚴格過濾和/或具有良好線性的LNA，其線性特性以三階截止點(IP3)表示。還有，許多如全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器等無線應用，可利用低功率LNA增強在沒有干擾或blocking信號時的弱信號。

　　考慮用于LNA設計的GaAs PHEMT有兩種不同的器件形式：具有典型負柵閾值電壓的D模式晶體管和具有正柵閾值電壓的E模式晶體管。正柵閾值電壓簡化了電池供電系統(tǒng)中的偏壓。盡管有可能采用一節(jié)電池對D模式器件供電，但它需要消耗額外的流入源電阻的DC功率以滿足偏壓要求。

　　在LNA設計中，第一步是確定哪種類型器件提供最好的功能與性能的組合。下一步是選擇器件的大小尺寸。器件尺寸將影響LNA的帶寬、DC功耗、噪聲值和非線性性能。對于一階效應，器件尺寸不會影響增益和噪聲值。然而，隨著器件變得更小，匹配電路和相互聯(lián)接的電阻損耗相對于器件阻抗而增加，大大增加了噪聲值。

　　器件尺寸的選擇在MMIC LNA設計中是關鍵的一步。漏偏電流對噪聲值的影響甚至比漏偏電壓的影響更大。此外，漏偏還影響放大器增益。沒有足夠大的電流，增益會很低。一般來說，LNA對于漏飽和電流(IDSS)偏置15%~20%，作為增益與噪聲的折衷。IDSS與器件尺寸成比例，所以較大器件將比較小器件消耗更大功率。降低DC功耗的一個途徑是在維持15%~20%的IDSS偏置的同時減小器件的尺寸。

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　　降低漏電壓將降低DC功耗，但器件的漏電壓必須足夠高以使其工作于飽和區(qū)并能夠放大。除了隨器件尺寸縮小噪聲值增大和增益減小外，使用過小的器件還有其他缺點。包括非線性效應和由于IP3表現(xiàn)不佳造成的對工作帶寬內干擾信號的易感性。最適合匹配50歐姆系統(tǒng)的器件尺寸也有一定范圍。尺寸比這一優(yōu)選范圍小或大都趨于減少帶寬，也許在窄帶應用中還不太考慮，但在中等帶寬應用中的確很重要。所以，盡可能縮小器件尺寸以降低功耗的直覺傾向，由于其他性能問題而有所緩和。這樣，設計的功耗目標確定為毫瓦級。

　　一旦選定了器件尺寸、偏置電流和偏置電壓，下一步是設計LNA的匹配電路。對于一般器件通常提供有非線性和線性器件模型或S參數(shù)，但它們都針特定器件尺寸，如300μm進行了優(yōu)化。器件尺寸增大和縮小，誤差都會隨之增大，雖然我們還不清楚由于器件尺寸增大和縮小而增大的誤差有多大。反復設計流程被用于開發(fā)LNA以及電路布局，并且一直要進行各種檢查。最后，在將設計發(fā)出制造之前，還要進行布局設計規(guī)則檢查(DRC)。

　　圖1和圖2分別顯示了近乎相同的D模式和E模式LNA的布局。因為除摻雜物不同外，兩種器件的GaAs制造工藝相同，只是要求匹配電路有一點點不同，以在E模式設計上優(yōu)化D模式設計。雖然兩種設計均針對一個偏置點進行了優(yōu)化，還是要在各種電壓和電流范圍進行測試，以確定性能能力和DC功耗限制。

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　　雖然兩種LNA在布局上幾乎一樣，仿真顯示在同樣的DC功耗下，E模式PHEMT有更好的性能?；谟嬎銠C仿真，E模式設計比D模式PHEMT設計在1-dB壓縮(P1dB)有更好的增益、噪聲值和輸出功率。表1對比了不同DC偏置點上的兩種LNA性能。

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