基于70nm GaAs MHEMT单管芯的低噪声放大器设计
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低噪声高增益CMOS运算放大器设计的开题报告一、选题背景作为模拟电路中的一种重要电路,运算放大器具有很广泛的应用,被用于模拟信号的增益、滤波、混频、反相、微分和积分等处理。
在实际生产中,为了满足高质量、低功耗、小尺寸等需求,人们对运算放大器提出了更高的要求。
因此,本次设计将着重研究低噪声高增益CMOS 运算放大器的设计。
二、研究目的本次设计旨在设计一种低噪声高增益的CMOS运算放大器,使其具有以下特点:1. 低噪声2. 高增益3. 低功耗4. 小尺寸三、研究内容1. 分析低噪声高增益CMOS运算放大器设计的一般流程;2. 选择适合的MOS管工作状态,设计适合的偏置电路,优化电路增益和带宽;3. 利用MOS管的退化器原理,抑制共模干扰;4. 采用差分对和共模反馈,进一步降低噪声和增加增益;5. 综合以上措施,得到一种低噪声高增益CMOS运算放大器。
四、研究方法1. 对CMOS工艺进行分析,确定工作电压、电路结构和器件尺寸等参数;2. 选择合适的偏置电路,确定运算放大器工作点;3. 采用差分对和共模反馈技术,设计运算放大器电路;4. 通过仿真软件对设计的运算放大器进行仿真;5. 制作芯片并进行测试。
五、预期成果设计完成后,应该能够得到一种低噪声高增益CMOS运算放大器,具有以下特点:1. 低噪声2. 高增益3. 低功耗4. 小尺寸六、可行性分析本设计采用现有的CMOS工艺,通过分析和优化设计方法,针对低噪声高增益的要求,选用合适的器件尺寸和工作电压,经过仿真与验证后可以得到预期成果。
七、进度计划第1-2周:研究并确定设计方案第3-4周:仿真设计,优化电路结构第5-6周:制作芯片并进行测试第7周:数据处理与结果分析第8周:撰写完结论,准备答辩材料八、参考文献[1] Gray P,Hurst P.J,Lewis S.H,et al.亚微米精度的模拟集成电路设计原理 [M]。
俞学礼等杨晶坚译。
北京:科学出版社,2000。
毕业论文基于ADS的低噪声放大器设计与仿真一、实验背景和目的31.1 低噪声放大器31.1.1 概念41.1.2 主要功能41.1.3 主要应用领域51.2 低噪声放大器的研究现状51.3 本实验报告的主要研究容和容安排7二、低噪声放大器的原理分析与研究72.1 低噪声放大器的基本结构72.2 低噪声放大器的基本指标82.2.1 噪声系数92.2.2 增益102.2.3 输入输出驻波比102.2.3 反射系数112.2.4 放大器的动态围(IIP3)112.3 低噪声放大器设计设计的基本原则112.3.1 低噪声放大管的选择原则112.3.2 输入输出匹配电路的设计原则12三、低噪声放大器的设计163.1 放大器设计的主要流程163.2 低噪声放大管的选择173.3 稳定性计算203.4 输入输出匹配电路电路设计213.5 偏置电路213.6 电路中需要注意的一些问题22四、设计目标23五、ADS软件仿真设计和结论245.1 ADS仿真设计245.1.1 直流分析DC TRacing245.1.2 偏置电路的设计245.1.3稳定性分析255.1.4噪声系数园和输入匹配255.1.5最大增益的输出匹配285.2 结论分析34需要仿真源文件,请在空间留言一、设计的背景和目的1.1低噪声放大器在无线通信系统中,为了提高接受信号的灵敏度,一般在接收机前端放置低噪声放大器用来提高增益并降低系统的噪声系数。
1.1.1概念低噪声放大器是噪声系数很低的放大器。
一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器,以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。
在放大微弱信号的场合,放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重,因此希望减小这种噪声,以提高输出的信噪比。
由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F来表示。
理想放大器的噪声系数F=1(0分贝),其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。
现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管;微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器,常温参放的噪声温度Te 可低于几十度(绝对温度),致冷参量放大器可达20K以下,砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛,其噪声系数可低于2 分贝。
• 123•一种W波段宽频带低噪声放大器设计博微太赫兹信息科技有限公司 中国电子科技集团公司第三十八研究所 武 帅 高炳西 冯 辉【摘要】本文阐述了一种W波段(75~110GHz)宽频带低噪声放大器的设计,通过对第一级宽频带低损耗波导微带转换器的优化,采用射频与直流偏置电路分腔式设计,设计的低噪声放大器取得了较好性能,实测结果带内噪声系数优于3.0dB,增益>20dB@94GHz;波导微带转换频带内插入损耗0.1~0.28dB,回波损耗S11<-20dB。
【关键词】低噪声放大器;波导微带转换引言低噪声放大器一般位于接收机或辐射计的前端,主要用于放大微弱的接收信号,根据级联系统噪声系数分析方法,其性能直接影响系统的总噪声系数及灵敏度,对于降低接收前端系统噪声干扰,提高整体性能起着至关重要的作用。
因此,低噪声放大器一直是雷达、通信和电子对抗等系统中的关键微波部件,有着广泛的军用和民用价值。
随着通讯、航天、空间技术的发展,电磁波谱资源越来越拥挤,国际社会加大了高频率段电磁波谱的开发力度,毫米波、亚毫米波芯片与器件逐渐成熟。
国内外已有很多关于毫米波低噪声放大器芯片的报道,采用的工艺技术有GaAs HEMTs[1][2]、InP HEMTs[3] [4]等。
其中, InP HEMTs具有高增益、高电流截止频率、低噪声以及低直流功耗等优点。
目前,在W波段具有代表性的商用低噪声放大器芯片有(1)法国OMMIC公司的型号为CGY2190UH/C2的宽带低噪声放大器芯片。
该芯片采用70nm MHEMT工艺技术,由4级级联放大器组成,工作频率75~110GHz,噪声系数典型值2.8dB,带内增益典型值23dB。
(2)美国Northrop Grumman公司型号为ALP283的低噪声放大器芯片,该芯片采用0.1um InP HEMT工艺技术,工作频率80~100GHz,由5级放大器组成,噪声系数典型值2.5dB、噪声系数平均值2.1dB,带内增益典型值29dB。
0.1 GHz~18 GHz单电源宽带低噪声放大器作者:杨楠杨琦刘鹏来源:《现代信息科技》2022年第08期摘要:基于GaAs增強型pHEMT工艺,设计了一款单电源供电、工作频率覆盖0.1 GHz~18 GHz单片集成宽带低噪声放大器芯片。
在同一芯片上集成分布式低噪声放大器和有源偏置电路,通过有源偏置电路为分布式放大器提供栅压实现放大器单电源供电。
在片测试结果表明,放大器在+5 V工作电压下,工作电流60 mA,在0.1 GHz~18 GHz工作频段范围内实现小信号增益18 dB,输出P1 dB(1 dB压缩点输出功率)典型值12 dBm,噪声系数典型值2.5 dB。
放大器的芯片尺寸为2.4 mm×1.0 mm×0.07 mm。
关键词:增强型pHEMT;单电源;宽带;分布式放大器;有源偏置中图分类号:TN722 文献标识码:A文章编号:2096-4706(2022)08-0045-040.1 GHz~18 GHz Single Supply Broadband Low Noise AmplifierYANG Nan, YANG Qi, LIU Peng(the 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shijiazhuang 050051, China)Abstract: Based on GaAs enhanced pHEMT process, a monolithic integrated broadband low noise amplifier chip with single power supply and working frequency covering 0.1 GHz~18 GHz is designed. The distributed low noise amplifier and active bias circuit are integrated on the same chip. It provides the gate voltage for the distributed amplifier to realize the single power supply of the amplifier through active bias circuits. The on-chip test results show that under the working voltage of + 5 V, the working current of the amplifier is 60 mA, the small signal gain is 18 db in the working frequency band of 0.1 GHz~18 GHz, the typical value of output P1 db (1dB compression point output power) is 12 dbm, and the typical value of noise coefficient is 2.5 dB. The chip size of the amplifier is 2.4 mm×1 0 mm×0. 07 mm.Keywords: enhanced pHEMT; single supply; broadband; distributed amplifier; active bias0 引言伴随着当今社会信息化的快速发展,无线通信技术已经广泛应用在各个领域,如通信网络、定位系统、无线局域网、蓝牙等等,这些已经成为生活中不可或缺的部分。
低频低噪声测量放大器的设计作者:陈晓娟樊欣欣吴洁来源:《现代电子技术》2016年第10期摘要:低频噪声是表征半导体器件质量和可靠性的一个重要敏感参数,为了能够测量电子器件低频噪声,使用分立器件SSM⁃2220组成偏置电路,由ADA4898⁃1构成前置放大器,采用噪声匹配变压器法设计一种测量低频低噪声的放大器。
实验结果表明:在频率为80 kHz 以下,放大器输入端共模抑制比高出集成运放OP⁃37 228 dB,其系统的噪声系数低于前置放大器ADA⁃40752 0.3 dB,满足低频低噪测量放大器的设计要求。
关键词:分立元件;前置放大器;噪声匹配变压器;低频噪声测量中图分类号: TN722.3⁃34 文献标识码: A 文章编号: 1004⁃373X(2016)10⁃0116⁃04 Design of low frequency and low noise measuring amplifierCHEN Xiaojuan1, FAN Xinxin2, WU Jie3(1. College of Electronical and Information Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China;2. School of Information Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China;3. School of Electrical & Information Engineering, Beihua University, Jilin 132013,China)Abstract: The low⁃frequency noise is an important sensitive parameter to character the quality and reliability of semiconductor devices. To detect the low⁃frequency noise of electronic devices,an amplifier measuring the low⁃frequency and low noise was designed by means of the method of noise matching transformer, in which there are a biasing circuit composed of the discrete device SSM⁃2220 and a preamplifier constituted with ADA4898⁃1. The experimental results show that the common⁃mode rejection at input end of the amplifier is 228 dB higher than that of OP⁃37 as the frequency is below 80 kHz, and the system noise coefficient is 0.3 dB lower than that of preamplifier ADA⁃40752. This amplifier can meet the design requirements of low frequency and low noise detecting amplifier.Keywords: discrete component; preamplifier; noise matching transformer; low frequency noise detection0 引言低频噪声是表征半导体器件质量和可靠性的一个重要敏感参数[1⁃2],然而,常温下电子器件低频噪声极其微弱,其噪声电压往往集中于nV级别,这给噪声的测量带来了很大的困难。
《噪声温度计中低噪声低失真前置放大器研制》篇一一、引言随着现代电子技术的飞速发展,噪声温度计作为一种高精度的测量仪器,在科研、工业生产以及日常生活中得到了广泛应用。
而作为噪声温度计的核心部件之一,前置放大器在信号的采集、传输和处理过程中起着至关重要的作用。
因此,研制低噪声、低失真的前置放大器对于提高噪声温度计的测量精度和稳定性具有重要意义。
本文将重点介绍低噪声低失真前置放大器的研制过程及关键技术。
二、前置放大器的设计要求在研制低噪声低失真前置放大器时,需要满足以下设计要求:1. 低噪声:放大器的噪声系数要尽可能小,以减小对输入信号的干扰。
2. 低失真:放大器应具有较好的线性度,以减小信号在放大过程中的失真。
3. 宽动态范围:能够处理较大幅度的输入信号。
4. 高增益:在保证低噪声和低失真的前提下,提高放大器的增益。
5. 良好的稳定性:在各种工作条件下,放大器的性能应保持稳定。
三、电路设计与实现为了满足上述设计要求,我们采用了先进的集成电路设计技术,设计了一款低噪声低失真前置放大器。
该放大器主要由输入级、中间级和输出级三部分组成。
其中,输入级采用高精度差分输入结构,以减小外界干扰对输入信号的影响;中间级采用高增益带宽积设计,以提高放大器的增益和带宽;输出级则采用低噪声、低失真的缓冲器结构,以减小信号在传输过程中的损失。
在具体实现过程中,我们采用了以下关键技术:1. 优化器件选择:选用低噪声、低失真的运算放大器、场效应管等器件,以降低整个电路的噪声系数和失真度。
2. 合理布局布线:通过优化电路板的布局布线,减小电路中各元件之间的相互干扰,提高电路的稳定性。
3. 温度补偿技术:采用温度传感器对电路进行实时监测,通过软件算法对电路参数进行自动调整,以减小温度变化对电路性能的影响。
四、性能测试与分析为了验证所研制的前置放大器的性能,我们进行了严格的性能测试和分析。
测试结果表明,该前置放大器的噪声系数较低,能够有效减小对输入信号的干扰;同时,其线性度较好,信号失真度较低;在各种工作条件下,其性能均保持稳定。
专利名称:一种高性能毫米波低噪声的单级放大器专利类型:实用新型专利
发明人:陈志坚,邹宇,郑彦祺,李斌
申请号:CN202022606037.2
申请日:20201111
公开号:CN213243930U
公开日:
20210518
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本实用新型公开一种高性能毫米波低噪声的单级放大器,涉及通信领域。
针对现有技术中放大器片外干扰大、增益平坦度低等问题提出本方案。
MOS管M1栅极通过输入匹配电路作为输入级连接电容C1,输入匹配电路的电压端通过前级栅极偏置电路连接直流焊盘Vg1;MOS管M1源极通过微带线TLs接地;MOS管M2栅极通过后级栅极偏置电路连接直流焊盘Vg2;MOS管M2漏极通过输出匹配电路作为输出级连接电容C4,输出匹配电路的电压端通过漏极偏置电路连接直流焊盘Vd;MOS管M1的漏极和MOS管M2的源极之间串接共源共栅匹配电路。
优点在于,共源共栅放大单元辅以对应的输入匹配电路、输出匹配电路以及共源共栅匹配电路,综合设计提高了毫米波低噪声放大器的增益、带宽和增益平坦度。
申请人:华南理工大学
地址:510640 广东省广州市天河区五山路381号
国籍:CN
代理机构:广州海心联合专利代理事务所(普通合伙)
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微波集成电路中的低噪声放大器设计在微波集成电路(MMIC)的设计中,低噪声放大器(Low Noise Amplifier,简称LNA)的设计是至关重要的一环。
LNA的性能直接影响着整个系统的噪声指标,尤其在无线通信、雷达系统等对信号质量要求极高的应用中,LNA的设计显得尤为重要。
本文将探讨微波集成电路中低噪声放大器的设计原理、关键技术和优化策略。
### 1. 设计原理低噪声放大器的设计目标是在尽可能保持信号增益的前提下,最小化噪声指标。
在微波频段,噪声主要分为热噪声和器件本身的噪声。
因此,LNA的设计需要考虑以下几个方面:- **合适的工作点:** 选择适当的偏置点可以有效地降低器件本身的噪声。
- **优化的频率响应:** 在设计过程中需要考虑LNA在整个工作频段内的增益和噪声指标的平衡。
- **有效的匹配网络:** 设计合适的输入和输出匹配网络可以提高LNA的性能,并降低噪声指标。
### 2. 关键技术在微波集成电路中,实现低噪声放大器的关键技术主要包括:- **器件选择:** 选择具有低噪声特性的器件是设计低噪声放大器的首要步骤。
例如,高电子迁移率晶体管(HEMT)在微波和毫米波领域具有广泛应用,因其低噪声和高增益的特性而备受青睐。
- **封装和布局:** 良好的封装和布局设计可以降低射频信号与环境的干扰,减小器件的热噪声,并提高系统的稳定性和可靠性。
- **功率匹配网络:** 采用合适的功率匹配网络可以有效地提高LNA的输入和输出匹配度,从而减小信号的反射损耗,提高整体性能。
### 3. 优化策略为了进一步提高微波集成电路中低噪声放大器的设计效果,可以采取以下优化策略:- **噪声系数优化:** 通过调整电路拓扑结构和器件参数,优化LNA的噪声系数,以实现更低的噪声指标。
- **电源抑制:** 有效地抑制电源噪声对LNA性能的影响,采用低噪声、高稳定性的电源设计是一种有效的策略。
- **热管理:** 在高频高增益的工作条件下,合理设计散热结构,降低器件温度,有助于减小热噪声并提高系统的可靠性。
2~18 GHz超宽带低噪声放大器芯片研制文晓敏;李斌【摘要】低噪声放大器在射电天文望远镜接收机中是一个重要的前端组件,其性能对接收机的灵敏度和噪声有至关重要的影响。
采用OMMIC公司70 nm GaAs mHEMT工艺研究和设计了一款工作频率为2~18 GHz的超宽带单片微波集成低噪声放大器芯片,芯片面积为2 mm×1 mm。
放大器电路采用三级级联放大、双电源供电拓扑结构,常温在片测试结果显示,全频带增益大于28 dB,噪声温度平均值为93 K,直流功耗150 mW,无条件稳定。
该放大器芯片覆盖了射电天文S,C,X,Ku 4个传统观测波段,适用于厘米波段超宽带接收前端和毫米波段超宽带中频放大模块。
【期刊名称】《天文研究与技术-国家天文台台刊》【年(卷),期】2019(16)3【总页数】7页(P278-284)【关键词】低噪声放大器;GaAs;mHEMT;超宽带;单片微波集成电路【作者】文晓敏;李斌【作者单位】中国科学院上海天文台,上海200030;中国科学院大学,北京100049【正文语种】中文【中图分类】TN722.3作为射电天文望远镜接收机前端的核心器件,低噪声放大器(Low Noise Amplifier, LNA)不仅要将天线接收到的来自外太空的微弱信号进行低噪声放大,还要求具有较高的增益抑制后级链路的噪声,保持接收系统的灵敏度。
单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuits, MMIC)形式的低噪声放大器芯片是实现超宽带、低噪声、高增益器件的重要途径。
变组分高电子迁移率晶体管(Metamorphic High-eletron-mobility Transistor, mHEMT) 具有高频、高功率及噪声性能好的优点,广泛应用于雷达、遥感、辐射测量等领域[1]。
本文设计单片微波集成电路低噪声放大器芯片所用的OMMIC D007IH mHEMT工艺,拥有70 nm栅长和高掺铟沟道,在组分缓变的缓冲层上生长高铟浓度的外延活跃层,从而实现与砷化镓(GaAs)衬底的平稳过渡,因而使其具有极低的噪声和超高频特性[2]。
0.3~8 GHz超十倍频程MMIC低噪声放大器设计
李佳伟;李斌
【期刊名称】《电子元件与材料》
【年(卷),期】2022(41)4
【摘要】为应对未来射电天文发展对超过十倍频程带宽接收性能的需求,实现厘米波多波段同时观测,使用法国OMMIC公司70 nm GaAs mHEMT工艺研究并设计一款工作频率为0.3~8 GHz的超宽带单片微波集成低噪声放大器芯片。
放大器电路采用三级级联放大结构,双电源供电,芯片尺寸为2000μm×1000μm。
仿真结果显示,常温下芯片在整个工作频段内增益大于40 dB,噪声温度优于65 K,在8 GHz 处达到最低噪声51.4 K,无条件稳定。
该芯片工作频率覆盖P,L,S,C,X五个传统天文观测频段,适用于厘米波段的超宽带接收机前端,并满足未来毫米波拓展中频带宽的需求。
【总页数】5页(P418-422)
【作者】李佳伟;李斌
【作者单位】中国科学院上海天文台;中国科学院大学
【正文语种】中文
【中图分类】TN722.
【相关文献】
1.10~18GHz GaAs MMIC低噪声放大器设计
2.2~4 GHz MMIC低噪声放大器
3.12~18GHz GaAs MMIC低噪声放大器设计
4.12~18GHz GaAs MMIC低噪声放大器设计
5.2 GHz~4.2 GHz MMIC低噪声放大器设计
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空间应用Ka频段MHEMT单片低噪声放大器设计
孙逸帆;王婷霞;徐鑫;朱光耀;和新阳
【期刊名称】《空间电子技术》
【年(卷),期】2012(009)004
【摘要】文章介绍了一种空间用Ka频段MHEMT三级MIC低噪声放大器的设计,放大器最小噪声系数为1.5dB,增益为30 dB,回波损耗10 dB.该低噪声放大器成品率高,性能指标优于目前同类商业芯片指标.
【总页数】5页(P67-70,89)
【作者】孙逸帆;王婷霞;徐鑫;朱光耀;和新阳
【作者单位】中国空间技术研究院西安分院,西安710000;中国空间技术研究院西安分院,西安710000;中国空间技术研究院西安分院,西安710000;中国空间技术研究院西安分院,西安710000;中国空间技术研究院西安分院,西安710000
【正文语种】中文
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1.4~8GHz宽带单片集成低噪声放大器设计 [J], 俞汉扬;陈良月;李昕;杨涛;高怀
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5.Ka频段单片低噪声放大器设计 [J], 杨自强;杨涛;刘宇
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基于GaAs HEMT的低噪声放大器设计与实现的开题报告摘要:本文将研究基于GaAs HEMT的低噪声放大器的设计与实现。
首先介绍GaAs HEMT的结构和特性,然后分析低噪声放大器的原理和设计步骤。
接着进行电路仿真和优化,并进行实际制作和测试。
最后,总结设计过程中遇到的问题和解决方法,并展望未来的应用前景。
关键词:GaAs HEMT,低噪声放大器,设计,制作,测试1. 研究背景随着通信技术的发展,低噪声放大器在无线通信中的应用越来越广泛。
其中,基于GaAs HEMT的低噪声放大器因其高增益、低噪声和宽带特性而受到广泛关注。
本文旨在研究该类放大器的设计与实现,为无线通信领域的发展做出贡献。
2. 研究内容(1)介绍GaAs HEMT的结构和特性。
包括器件的材料组成、工作原理、性能指标等方面的说明。
(2)分析低噪声放大器的原理和设计步骤。
探讨不同的电路拓扑结构、参数选择和优化方法。
(3)进行电路仿真和优化。
使用射频模拟软件对设计的低噪声放大器进行仿真验证,并根据仿真结果进行电路参数的优化。
(4)进行实际制作和测试。
在仿真优化后,对设计的低噪声放大器进行实际制作和测试,并对测试结果进行分析和评估。
3. 研究意义GaAs HEMT材料具有较高的载流子迁移率和截止频率,使其在高频领域有广泛的应用。
设计并制作基于该材料的低噪声放大器,可以在无线通信等领域中提高系统性能,降低噪声与失真等问题,具有重要的实用价值和理论意义。
4. 研究方法本文采用理论分析、电路仿真和实际制作及测试相结合的方法,对基于GaAs HEMT的低噪声放大器进行研究。
5. 预期结果本文预计可以设计并制作出一款性能优良的基于GaAs HEMT的低噪声放大器,并对其进行详细的测试和分析。
同时,本文还将分析设计过程中遇到的问题和解决方法,并对未来的研究和应用进行展望。
6. 结语本文将对基于GaAs HEMT的低噪声放大器的设计与实现进行深入的探究和研究,旨在提高无线通信系统的性能和实用性,为相关领域的研究和应用做出贡献。
《噪声温度计中低噪声低失真前置放大器研制》篇一一、引言在现代电子技术日新月异的今天,噪声温度计已成为各种科学实验、医疗诊断和工业生产等领域中不可或缺的测量工具。
而前置放大器作为噪声温度计的重要组成部分,其性能的优劣直接影响到整个系统的测量精度和稳定性。
因此,研制一款低噪声、低失真的前置放大器显得尤为重要。
本文将详细介绍低噪声低失真前置放大器的研制过程、原理及性能分析。
二、前置放大器的工作原理及设计思路前置放大器的主要作用是放大微弱的信号,同时抑制噪声和失真。
其工作原理主要基于晶体管的放大作用,通过合理的电路设计和元件选择,实现低噪声、低失真的放大效果。
设计思路主要包括以下几个方面:1. 选择合适的晶体管:晶体管的性能直接影响到前置放大器的性能。
因此,需要选择具有低噪声、高放大倍数的晶体管。
2. 设计合理的电路结构:电路结构应具有较高的信噪比和较低的失真度。
同时,要考虑电路的稳定性、抗干扰能力和散热性能。
3. 优化元件参数:通过优化电容、电阻等元件的参数,进一步提高前置放大器的性能。
三、前置放大器的研制过程1. 理论分析:根据前置放大器的工作原理和设计思路,进行理论分析,确定电路结构和元件参数。
2. 电路设计与仿真:利用电子设计软件进行电路设计和仿真,验证设计的可行性和性能。
3. 元件选择与制作:根据理论分析和仿真结果,选择合适的元件,制作出前置放大器电路板。
4. 测试与调试:对制作好的前置放大器进行测试与调试,包括噪声测试、失真度测试、信噪比测试等,确保其性能达到设计要求。
四、性能分析1. 噪声性能:低噪声是前置放大器的重要性能指标。
通过实际测试,我们发现该前置放大器的噪声系数较低,有效抑制了外界噪声的干扰。
2. 失真性能:失真度是衡量前置放大器性能的重要参数。
该前置放大器采用先进的电路设计和元件选择,实现了较低的失真度,保证了信号的准确性。
3. 信噪比:信噪比是评价放大器性能的重要指标。
该前置放大器具有较高的信噪比,有效提高了系统的测量精度。
电子设计工程Electronic Design Engineering第27卷Vol.27第14期No.142019年7月Jul.2019收稿日期:2018-11-22稿件编号:201811118作者简介:官劲(1987—),男,四川宜宾人,博士,工程师。
研究方向:航天测控、微电子。
由于高速数据传输、软件无线电、数字RF 、超宽带接收机等宽带系统的快速发展,对宽带低噪声放大器(LNA )的需求也日益增加。
对于宽带LNA ,需要有较低噪声系数(NF ),较高的增益,良好的输入/输出端口(I/O )匹配和增益平坦度,以及在较宽频率范围内的稳定性[1-5]。
微波单片集成电路(MMIC )在微波以及毫米波频段具有优越的噪声和功率性能,并易于实现。
目前,许多基于InP HBT/HEMT ,GaAs PHEMT/MHEMT ,SiGe HBT 和GaN HEMT 的LNA 研究已经得到报告。
近期一些文献报道了在芯片内采用负反馈技术实现宽带LNA 的方法:包括采用源极负反馈技术[5]、漏极栅极直接负反馈[6]、耦合负反馈[7]、多级负反馈[8]等。
文献[9]报道了将晶体管寄生参数融合入匹配网络的方法来实现宽带放大器的匹配。
另外文献[10]采用一种分布式放大器的结构实现超宽带低噪声放大器,但这种分布式结构具有较高的噪声系数以及较大的芯片面积。
文献[11]采用了多级晶体管级联匹配的方法设计宽带的放大器。
虽然目前许多文献报道了宽带LNA 的设计,但是对于高性能的宽带LNA 设计依然是挑战[12-16]。
本文设计了一种基于OMMIC 的70nm GaAs MHEMT 单管芯的片外匹配宽带LNA 。
这种基于单管芯的LNA 设计方法,在实际工程中对于验证新工艺或快速实现具有扩展性和灵活性的电路具有重要意义。
本文的负反馈LNA 覆盖50MHz~3GHz ,噪声系数约为0.7~0.85dB ,增益大约15dB±0.2dB ,带宽内I/O 基于70nm GaAs MHEMT 单管芯的低噪声放大器设计官劲1,2,龚敏1,高博1,陆雨茜1(1.四川大学物理科学与技术学院微电子重点实验室,四川成都610065;2.中国电子科技集团公司第十研究所四川成都610036)摘要:设计了一种基于70nm GaAs MHEMT (变形高电子迁移率晶体管)单管芯的宽带低噪声放大器(LNA ),频率覆盖50MHz 到3GHz 。
采用负反馈和输入输出匹配技术补偿晶体管增益随频率的滚降,以及优化稳定性和反射系数。
所设计的单管芯LNA 增益大约为15dB ,噪声系数约为0.77dB 左右。
这种基于70nm GaAs MHEMT 单管芯的LNA 电路设计具有较高的灵活性,对于工艺验证和灵活快速实现板级LNA 具有重要意义。
关键词:MMIC ;LNA ;70nm GaAs MHEMT ;负反馈;宽带中图分类号:TN454文献标识码:A文章编号:1674-6236(2019)14-0055-04Design of LNA with a single 70nm GaAs MHEMTGUAN Jin 1,2,GONG Min 1,GAO Bo 1,LU Yu⁃xi 1(1.Key Laboratory for Microelectronics ,College of Physical Science and Technology ,Sichuan University ,Chengdu 610065,China ;2.The 10th Research Institute of China Electronics Technology GroupCorporation ,Chengdu 610036,China )Abstract:This paper presents a broadband low noise amplifier (LNA )using 70nm GaAs metamorphic high electron mobility transistor (MHEMT )process operating from 50MHz to 3GHz.The feedbacks technique and input/output impedance match are applied to compensate transistor gain roll-off with frequency and optimize stability and reflection coefficients.The LNA features gain of average 15dB ,and noise figure of 0.77dB.The design of LNA with a single 70nm GaAs MHEMT is high flexibly ,and it is of great significance to process validation and realize LNA on PCB.Key words:MMIC ;LNA ;70nm GaAs MHEMT ;Feedback ;Broadband《电子设计工程》2019年第14期反射系数均低于-10dB 。
第二章节中,对管芯的设计方法进行了描述。
第三章节对设计的LNA 特性进行了仿真和分析。
第四章和第五章分别叙述了测试结果和总结。
1电路设计稳定性、噪声系数NF 和S 参数性能是LNA 的主要特性。
设计LNA 的主要的流程可归纳如下:1)根据选定工艺的管芯特性选择合适的栅宽(W )、栅指数(N )和DC 偏置点;2)选择合适的放大器结构、DC 偏置网络和匹配网络;3)设计、分析、仿真和优化LNA 。
本文的宽带LNA 基于70nm GaAs 的管芯进行设计,管芯采用4*50μm 的尺寸。
在芯片上,栅极和源极通过Pad 和金丝键合到PCB 上,同时芯片背面金属地通过导电胶与PCB 粘合。
管芯的漏极分别通过两端通孔接背面地,同时通过地Pad 和金丝键合就近连接PCB 地。
所有的DC 偏置网络、负反馈网络以及匹配网络均在PCB 上通过贴片集总元器件实现。
如图1所示,负反馈网络包含了一个电阻,负反馈网络不仅对优化I/O 匹配和稳定性起到了重要作用,同时也会不可避免的引入噪声,使得LNA 的噪声系数增大。
为了更好地优化噪声系数和输入输出反射系数,输入匹配网络采用了一个电感;而输出匹配网络采用了LC 低通网络和一个阻值较小的电阻。
输出网络中引入电阻,牺牲一定的增益以实现良好的输出匹配。
DC 偏置网络在电路中起到供电以及防止RF 信号串扰到电源中。
本文采用贴片隔直电容和厄流电感来实现简单的DC 偏置网络。
根据仿真结果,为了实现更好的性能,在调试过程中我们选择管芯的Vgs 电压在-0.2~0V 之间,Vds 电压在1~1.2V 之间。
所有网络以及DC 偏置点的选择,对LNA 的匹配、增益、稳定性、噪声系数等指标起到了重要影响。
图1基于单管芯的LNA 设计原理图2性能分析由于70nm MHEMT 的截止频率非常高,在仿真时候,晶体管的稳定性分析应该至少覆盖DC~150GHz 。
一般情况下,可以通过在源极连接电感反馈来实现稳定性的增强。
本文中,由于采用的是单管芯在PCB 上搭建LNA 电路,因而采用漏极-栅极负反馈电路来增强稳定性。
图2带负反馈MHEMT 晶体管的噪声模型漏极-栅极负反馈将输出信号反馈回输入端,不仅增强了管芯的稳定性、改善了端口驻波,但同时也降低了增益,并在输入端引入了额外的噪声。
一般我们采用PRC 模型对LNA 的噪声性能进行分析,如图2所示。
噪声模型中包含了栅极、漏极、负反馈电阻等效噪声电流源。
参考文献[8],输入匹配和负反馈网络对LNA 的噪声系数起到了决定性作用。
合理选择负反馈网络中电阻值的大小,将影响LNA 的输入匹配、增益以及噪声系数等。
图3单管芯MHEMT 的仿真性能如图3所示,众所周知,晶体管的增益会随着频率的增加而降低,由于MHEMT 的截止频率ft 很高,MHEMT 在很宽的频带内具有潜在的不稳定性。
而负反馈网络中的电阻可以使单管芯在低频时候增益降低,弥补了晶体管自身增益的滚降,从而使LNA 电路在一定的工作平带内具有良好的增益平坦度特性。
本文采用PCB 上贴片集总元器件的方法来进行输入输出的匹配。
同时也考虑输入端的反射损耗不超过-10dB 的情况下,放大器的输入匹配网络针对最优噪声系数进行匹配。
实际上,由于采用了负反馈技术,在输入端Smith 图上的最优噪声反射系数Γopt 变得更加接近最优输入阻抗反射系数Γs 。
这使得输入匹配变得更加容易,因而仅增加一个较小的电感进行输入匹配优化,尽可能地减少噪声的引入。
在尽可能牺牲较少增益的情况下,为了实现良好的宽带匹配,输出端串联了一个小电阻。
另外由于贴片元器件的工作频率并不高,在高频的寄生参数反而容易引发自激,因而增加了LC 低通匹配网络。
3测试结果在本文中,我们采用OMMIC 的70nm GaAs 工艺,其70nm 的MHEMT 管芯外延生长在100μm 厚的GaAs 衬底上面。
LNA 电路设计采用了原理图仿真以及EM 仿真对金丝键合进行了优化设计。
如图4所示,尺寸为4*50μm 的MHEMT 单管芯通过金丝键合连接到PCB版上进行了测试。
图4MHEMT 单管芯通过金丝键合与PCB 相连如图5所示,从仿真和测试结果可以看出,LNA 的I/O 端口反射系数在-10dB 以下。
LNA 在整个频带内的增益保持在15dB±0.2dB 范围以内,具备良好的增益平坦度。
同时,单个LNA 隔离度约28dB 左右。
带内噪声系数约为0.7dB~0.85dB 。
仿真和实际测试存在一些差异,这主要是因为SMA 连接器、片外贴片元器件、金属键合以及测试校准方法等引入的误差造成。
图5测试与仿真结果基于MHEMT 仿真的LNA 具有很宽的频率特性,实际测试的电路带宽只是覆盖了50MHz~3GHz ,这是由于为了满足应用需求,减少带外干扰和带外不稳定性,在实际电路中增加了贴片LC 搭建的低通网络。
为了获得更高的电路增益,我们可以将两个或多个管芯进行级联,便可灵活快速的应用于各种微波电路。
4结论文中,我们描述了一种基于70nm GaAs MHEMT 单管芯LNA 的设计。
设计采用了负反馈技术,实现了在50MHz~3GHz 范围内的宽带LNA 。
输官劲,等基于70nm GaAs MHEMT 单管芯的低噪声放大器设计《电子设计工程》2019年第14期入输出S参数小于-10dB。
在整个带宽范围内,LNA 增益约为15dB,噪声系数低于0.85dB。