理解微波單片集成電路GaAs MMIC分布式放大器的設計

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。Bill Packard（惠普公司的創(chuàng)始人之一）早在1948年就在其論文中提出了基于分布式設計的真空管放大器電路。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果。

圖1：采用微帶傳輸線的分布式放大器電路結構圖。

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構圖（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)定因子的仿真結果。

通過理想的仿真計算，該設計選用了6×30μm的增強型PHEMT器件，Craig Moore的198？年的設計中在MESFET管的漏極增加了一些額外的匹配元件，以保證有效輸出電容和柵極輸入容抗相同。此時輸入和輸出的集總參數(shù)傳輸線將是對稱的，其相位延遲也相同。文章還比較了這種輸入輸出傳輸線對稱的匹配方案和另一種漏級電容獨立優(yōu)化的方案（漏極電感和柵極不對稱）。對于這個簡單的3級PHEMT設計，柵極和漏極輸入線的相移差別很小，這里就采用較簡單的非對稱方案。如果輸入輸出傳輸線的相位差較大，這種方案的就不能有效的合并各級的增益。下一步使用TriQuint公司提供的電感、電阻、電容以及互連線模型取代理想元件，進行更真實的仿真。圖3顯示了期望的最終放大電路的增益、匹配度、穩(wěn)定因子和噪聲系數(shù)。仿真中采用了30mA和3.3V的直流偏置設計，以限制其功耗在100mW以內(nèi)，并實現(xiàn)了輸出功率和三階互調(diào)截止點的折中。圖4是該電路的版圖，同時還包含了兩個有探針接入端的測試模型管：一個是設計中采用的6×30μm增強型PHEMT，另一個是普通的6×50μm耗盡型 PHEMT。