第3章毫米波固態(tài)電路20140330-毫米波放大器-2

1、3.2.3 毫米波MMIC放大器設(shè)計(jì)二、MMIC 放大器電路設(shè)計(jì)2、MMIC 功率放大器設(shè)計(jì) 4、MMIC 寬帶放大器設(shè)計(jì) 3、MMIC 低噪聲放大器設(shè)計(jì)1、放大器概述 (一)放大器技術(shù)指標(biāo)頻率/帶寬；輸出功率（增益放大器、中功率放大器和高功率放大器）及效率;反射系數(shù)；功率增益；噪聲系數(shù)；動(dòng)態(tài)范圍；增益平坦度；線(xiàn)性度；3.2.3.1毫米波放大器概述主要針對(duì)LNA 主要針對(duì)毫米波通信3.2.3.1毫米波放大器概述(一)放大器技術(shù)指標(biāo)（1） 功率增益?zhèn)魉偷骄w管輸入端的信號(hào)功率 P1 ;信號(hào)源資用功率P1a ; 放大器輸出端口傳送給負(fù)載的功率P2 ;放大器輸出口的資用功率P2a ;只有當(dāng)放大器的輸

2、入端口和輸出端口都同時(shí)實(shí)現(xiàn)共軛匹配時(shí)，這三個(gè)功率增益才相等。3.2.3.1毫米波放大器概述(一）放大器技術(shù)指標(biāo)（2） 噪聲系數(shù)Sin，Nin分別為輸入端的信號(hào)功率和噪聲功率； Sout，Nout分別為輸出端的信號(hào)功率和噪聲功率。3.2.3.1毫米波放大器概述（一）放大器技術(shù)指標(biāo)（3） 線(xiàn)性度 對(duì)一個(gè)功放進(jìn)行線(xiàn)性度的衡量，一般有三個(gè)非常重要的指標(biāo)：1dB壓縮點(diǎn)輸出功率、三階交調(diào)（IM3）和三階截?cái)帱c(diǎn)（IP3）。 3.2.3.1毫米波放大器概述3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)工藝選取電路結(jié)構(gòu)小信號(hào)設(shè)計(jì)大信號(hào)設(shè)計(jì)流片測(cè)試（1）工藝選?。℅aAs為例）指標(biāo)工藝選取電路結(jié)構(gòu)小信號(hào)設(shè)計(jì)大信號(hào)設(shè)計(jì)

3、流片測(cè)試毫米波電路晶圓代工廠(chǎng):TriquentWINUMSOMMIC Northrop Grumman RaytheonHRL LabAgilentskyworksM/A-COMRFMDEudyna成本、頻率、功率密度3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)工藝選取電路結(jié)構(gòu)小信號(hào)設(shè)計(jì)大信號(hào)設(shè)計(jì)流片測(cè)試1、選擇末級(jí)柵寬增益影響因素：寄生參數(shù)、柵指間相位誤差、熱效應(yīng)。3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)工藝選取電路結(jié)構(gòu)小信號(hào)設(shè)計(jì)大信號(hào)設(shè)計(jì)流片測(cè)試2、放大器級(jí)數(shù)前級(jí)增益越高，整體效率越高，但需選擇小柵寬，但又容易功率壓縮，因此需要折中，通常P1dB回退3dB。增益

4、和效率3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)3、功率分配和合成網(wǎng)絡(luò)選擇（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了盡量減少單元FET輸出功率相位誤差，通常需要采用功率分配和合成技術(shù)。并聯(lián)器件輸入輸出阻抗低、難以匹配；各饋線(xiàn)的相位對(duì)器件合成有影響，從而影響輸出功率。所以只適用于低頻或大功率下需要熱分散處理情況。3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)要求：1、插損2、尺寸3、偏置4、帶寬5、偏置兼容性6、奇模穩(wěn)定性根據(jù)合成網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)：1、Wilkinson (樹(shù)狀結(jié)構(gòu))2、合成變換網(wǎng)絡(luò)(樹(shù)狀結(jié)構(gòu))3、并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)(樹(shù)狀結(jié)構(gòu))3、總線(xiàn)合成網(wǎng)絡(luò)（總線(xiàn)結(jié)構(gòu)）4、Lange耦合器（平衡結(jié)構(gòu)）5、分布傳輸線(xiàn)合成3、功率分配和合成網(wǎng)絡(luò)

5、選擇（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)工藝選取電路結(jié)構(gòu)小信號(hào)設(shè)計(jì)大信號(hào)設(shè)計(jì)流片測(cè)試A.樹(shù)狀結(jié)構(gòu)PinPout優(yōu)點(diǎn)：功率合成電路、匹配電路和偏置三者合一、節(jié)省電路面積。缺點(diǎn)：大量級(jí)間匹配和偏置電路設(shè)計(jì)難度加大、并聯(lián)晶體管之間可能產(chǎn)生奇模振蕩。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)APH631,92 -96GHz,25dBm3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)A.樹(shù)狀結(jié)構(gòu)合成變換網(wǎng)絡(luò)（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采用濾波器合成方法，使得合成網(wǎng)絡(luò)具有帶通特性，然后轉(zhuǎn)換成微帶和電容結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)倍頻程的帶寬，可能會(huì)需要適當(dāng)?shù)钠ヅ洹Ｈ秉c(diǎn)是設(shè)計(jì)復(fù)雜TGA4516,30 - 40 GHz,2W3.2.3.2 MMIC

6、功率放大器設(shè)計(jì)A.樹(shù)狀結(jié)構(gòu)并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)A.樹(shù)狀結(jié)構(gòu)并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、損耗小；缺點(diǎn)：帶寬20%3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)B.總線(xiàn)結(jié)構(gòu)（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)B.總線(xiàn)結(jié)構(gòu)（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)TGA4516,30 - 40 GHz,2W優(yōu)點(diǎn)：可提供大電流、消除奇模振蕩、結(jié)構(gòu)緊湊；缺點(diǎn)：帶寬20%，必須三維場(chǎng)仿真。3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3、功率和增益分配3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)（3）小信號(hào)設(shè)計(jì)指標(biāo)工藝選取電路結(jié)構(gòu)小信號(hào)設(shè)計(jì)大信號(hào)設(shè)計(jì)流片測(cè)試

7、1、工作點(diǎn)選取3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)（3）小信號(hào)設(shè)計(jì)2、匹配設(shè)計(jì)3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)（3）小信號(hào)設(shè)計(jì)2、匹配設(shè)計(jì)目標(biāo)：滿(mǎn)足指標(biāo)中增益要求；偏置電路的合理性；合理的電路拓?fù)?；功率不必?qiáng)求達(dá)到指標(biāo)。3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)（4）大信號(hào)設(shè)計(jì)1、輸出匹配設(shè)計(jì)指標(biāo)工藝選取電路結(jié)構(gòu)小信號(hào)設(shè)計(jì)大信號(hào)設(shè)計(jì)流片測(cè)試3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)（4）大信號(hào)設(shè)計(jì)2、整體電路優(yōu)化3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)（4）大信號(hào)設(shè)計(jì)3、熱設(shè)計(jì)基片減薄3.2.3.2 MMIC功率放大器設(shè)計(jì)3.2.3.3 MMIC 低噪聲放大器3、MMIC 低噪聲放大器（1）晶體

8、管的噪聲特性不同尺寸FET的最小噪聲系數(shù)（PH25）不同尺寸FET最佳反射系數(shù)（PH25）（2）輸入匹配3.2.3.3 MMIC 低噪聲放大器（3）穩(wěn)定性設(shè)計(jì)低噪聲放大器最求高 增益，因此在低頻段的時(shí)候增益會(huì)更高，從而需要降低低頻增益。柵極并聯(lián)穩(wěn)定電阻，但惡化噪聲3.2.3.3 MMIC 低噪聲放大器（3）穩(wěn)定性設(shè)計(jì)3.2.3.3 MMIC 低噪聲放大器（4）低功耗設(shè)計(jì)1.自偏置3.2.3.3 MMIC 低噪聲放大器1840GHz（4）低功耗設(shè)計(jì)2. 堆垛(stack)偏置3.2.3.3 MMIC 低噪聲放大器（4）低功耗設(shè)計(jì)2. 堆垛偏置3.2.3.3 MMIC 低噪聲放大器56-70GHz

9、 monolithic PHEMT low noise amplifier TriQuint單片低噪聲放大器3.2.3.3 MMIC 低噪聲放大器3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器4、MMIC 寬帶功率放大器（1）平衡式寬帶放大器（2）分布式（行波式）寬帶放大器（3）反饋式寬帶放大器（4）有源匹配式寬帶放大器（5）有損匹配式寬帶放大器（1）平衡式寬帶放大器原理: 由兩個(gè)單機(jī)放大器與正交耦合器組成。特點(diǎn)：A.工作帶寬1個(gè)倍頻程，主要受限于耦合器的帶寬；B.寬帶設(shè)計(jì)輸入輸出駐波比?。籆.噪聲系數(shù)低,與單管相同，可按照最小噪聲匹配設(shè)計(jì)，不必同時(shí)兼顧駐波比；D.輸出功率和動(dòng)態(tài)范圍大一倍；E.三

10、階交調(diào)改善6dB；F.增益等于單級(jí)放大。G.穩(wěn)定性好，穩(wěn)定系數(shù)恒大于1。3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器80-100GHz monolithic HEMT balanced, 3-stage, low noise amplifier TriQuint（1）平衡式寬帶放大器3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器（2）分布式（行波式）寬帶放大器原理: 把晶體管的輸入/輸出電容和輸入/輸出電阻都吸收到輸入/輸出傳輸線(xiàn)中，由多條傳輸線(xiàn)和多只晶體管構(gòu)成分布式有損人工傳輸線(xiàn)。 只要傳輸線(xiàn)負(fù)載和傳輸線(xiàn)特性阻抗匹配，它就相當(dāng)于無(wú)頻率限制的有損均勻傳輸線(xiàn)，使得微波以行波方式在這個(gè)傳輸線(xiàn)中傳輸。 如

11、果設(shè)計(jì)合理，輸入傳輸線(xiàn)和輸出傳輸線(xiàn)相位一致，就能使得微波傳輸過(guò)程中由晶體管逐次放大，構(gòu)成沒(méi)有頻率限制的放大器。3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器（2）分布式（行波式）寬帶放大器由于放大器內(nèi)部寄生參數(shù)（Ri,Rds）引入的損耗，放大器的最佳FET管芯數(shù)為46只。3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器（2）分布式（行波式）寬帶放大器兩根人工傳輸線(xiàn)的截止頻率不同兩根人工傳輸線(xiàn)的相速不同輸出電感補(bǔ)償3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器(2) 分布式（行波式）寬帶放大器傳統(tǒng)分布式行波放大器的缺點(diǎn):雖然行波放大器大大拓寬了帶寬，但是由于一半的電流被負(fù)載吸收，降低了放大器的整體效率。由于損

12、耗的存在，增益收到一定的限制。在輸出傳輸線(xiàn)上，由于電流左右電流波的共同作用，線(xiàn)上分布電壓不均勻，工作狀態(tài)也將隨頻率變化而變化，影響電流相位變化，影響輸出性能。級(jí)聯(lián)型單級(jí)分布式放大器(CSSDA)(20C90)3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器(2) 分布式（行波式）寬帶放大器傳統(tǒng)分布式行波放大器(CDA)級(jí)聯(lián)型單級(jí)分布式放大器(SSCDA)3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器(2) 分布式（行波式）寬帶放大器CSSDA的優(yōu)點(diǎn):繼承了CDA的主要優(yōu)點(diǎn): 駐波好, 增益平坦, 帶寬大等等；由于是單級(jí)的級(jí)聯(lián), CSSDA 已不存在CDA 的柵傳輸線(xiàn)和漏傳輸線(xiàn)的相位均衡問(wèn)題，級(jí)聯(lián)性能好C

13、SSDA放大器增益高。3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器(2) 分布式（行波式）寬帶放大器共源共柵（Cascode ）分布放大器通過(guò)添加共源共柵管來(lái)使得輸出電阻增大，同時(shí)減小共源管米勒電容的作用 ，提高晶體管的增-益帶寬積。3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器（2）分布式（行波式）寬帶放大器Cascode DA的特點(diǎn):米勒效應(yīng)的解決，增加了單級(jí)放大器的增益，并且增益隨頻率升高而下降的趨勢(shì)變緩；改變共柵晶體管的偏置可調(diào)節(jié)增益，并且不影響輸入端的阻抗匹配，因?yàn)楣苍淳w管阻抗沒(méi)有變。當(dāng)漏級(jí)傳輸線(xiàn)截止頻率不比工作最高頻率高出多時(shí)候存在不穩(wěn)定性。這是由于當(dāng)漏級(jí)傳輸線(xiàn)截止頻率不比工作最高頻率

14、很多時(shí)候，漏極阻抗升高，可通過(guò)漏極并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)。3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器18-50GHz monolithic GaAs PHEMT distributed amplifier Mimix（2）分布式（行波式）寬帶放大器3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器0.05-50GHz monolithic GaAs PHEMT distributed amplifier Mimix（2）分布式（行波式）寬帶放大器3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器DC-60GHz monolithic MMHEMT low noise amplifier TriQuint（2）分布式（行

15、波式）寬帶放大器3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器（3）反饋式寬帶放大器原理: 在FET漏極和柵極之間加入RL串聯(lián)反饋電路，改善放大器的輸入/輸出匹配，并且通過(guò)降低頻率低端的增益和改善穩(wěn)定性。特點(diǎn): 負(fù)反饋可以補(bǔ)償FET增益隨頻率下降的傾斜特性，獲得平坦增益、改善輸入/輸出駐波，但會(huì)惡化噪聲系數(shù)，限制最大輸出功率。 負(fù)反饋電路可分為源極（或發(fā)射機(jī)）串聯(lián)負(fù)反饋和漏極（集電極）并聯(lián)負(fù)反饋。3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器（4）有源匹配式寬帶放大器原理: 利用FET代替微帶線(xiàn)或電容、電感作為匹配元件，原理圖中第一級(jí)用于輸入匹配，第二級(jí)用于提供增益，第三級(jí)用于輸出匹配，可實(shí)現(xiàn)幾個(gè)倍頻

16、程。特點(diǎn): 共柵輸入時(shí)，輸入導(dǎo)納由跨導(dǎo)決定，Cgs影響小，因此可實(shí)現(xiàn)寬頻帶輸入匹配；共漏輸出時(shí)，S22很小，S21很平坦，可實(shí)現(xiàn)寬頻帶輸出匹配。 共柵和共漏電路不太穩(wěn)定，容易發(fā)生放大器自激，需要引入穩(wěn)定電阻，類(lèi)似有損匹配，需多個(gè)FET，電路功率損耗大，效率低。共柵共源共漏3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器（5）有損匹配式寬帶放大器原理: 通過(guò)對(duì)高增益的低頻端增加阻性損耗，使得增益壓低，而對(duì)高頻端盡量少影響增益。穩(wěn)定性好，但噪聲惡化。特點(diǎn): 穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但電阻損耗導(dǎo)致噪聲惡化。一般用于多級(jí)放大器的第二級(jí)以后電路3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器寬帶放大器性能比較平衡式分布

17、式（行波式）負(fù)反饋有源匹配有損匹配應(yīng)用頻段范圍1個(gè)倍頻程多個(gè)倍頻程（最寬）幾個(gè)倍頻程幾個(gè)倍頻程幾個(gè)倍頻程阻抗匹配效果優(yōu)良優(yōu)良良好良好較差噪聲系數(shù)低中等較高較高高輸出功率線(xiàn)性度好一般較好較好一般電路尺寸較大較小中等較小小制造允許公差大中等中等中等大3.2. 3.4 MMIC 寬帶功率放大器三、MMIC電路測(cè)試技術(shù)3.2.3.5 MMIC電路測(cè)試技術(shù)在片測(cè)試 On-Wafer TestVNACable信號(hào)源頻譜儀電源探針臺(tái)3.2.3.5 MMIC電路測(cè)試技術(shù)3.2.3.5 MMIC電路測(cè)試技術(shù)（1）校準(zhǔn) Calibration短路-開(kāi)路-負(fù)載-直通 (SOLT)傳輸線(xiàn)-反射-匹配 (LRM)直通-

18、反射-傳輸線(xiàn)(TRL)傳輸線(xiàn)-反射-反射-匹配 (LRRM)Cascades LRRM calibration is a more accurate version of the standard LRM calibration, in which load-inductance correction is incorporated by including an extra reflection standard.up to millimeter-wave and THZ3.2.3.5 MMIC電路測(cè)試技術(shù)WinCal3.2.3.5 MMIC電路測(cè)試技術(shù)3.2.3.5 MMIC電路測(cè)試技術(shù)5

19、8300mm Probe station3.2.3.5 MMIC電路測(cè)試技術(shù)Probes3.2.3.5 MMIC電路測(cè)試技術(shù)3.2.3.5 MMIC電路測(cè)試技術(shù)3.2.4 毫米波固態(tài)功率合成1.芯片式合成（ 1968年）2.電路式合成（ 1995年）3.空間功率合成（ 1981年）4.混合式 功率合成功率合成效率是在功率合成技術(shù)中衡量該功率合成網(wǎng)絡(luò)性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)。3.2.4 毫米波固態(tài)功率合成影響功率合成效率的因素：整個(gè)電路中的插入損耗，主要包括電路的反射損耗、傳輸損耗等；功率合成網(wǎng)絡(luò)中各路徑幅度相位不一致造成的損耗。分配和合成器的損耗、幅度和相位差分別為3.2.4 毫米波固態(tài)功率合成功率合成

20、效率分析3.2.4 毫米波固態(tài)功率合成合成效率與電路損耗以及合成級(jí)數(shù)之間的關(guān)系合成效率與幅度相位不一致性的關(guān)系合成損耗與幅度相位不一致性的關(guān)系3.2.4 毫米波固態(tài)功率合成合成效率及損耗與信號(hào)的相位不一致性(度)和功率不一致性D（dB）之間的關(guān)系主要應(yīng)用于MMIC設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)有：電路穩(wěn)定、工作頻帶寬、合成效率高、體積小等；合成的管芯數(shù)量受限，阻抗匹配的難度增大，傳輸損耗較高，合成效率將受到影響；在較高頻段，每個(gè)管芯的信號(hào)的相位、幅度等特性不再相同，也會(huì)使合成效率降低；各管芯距離很小，造成整個(gè)功率器件散熱難度大。為了提高單個(gè)MMIC功率芯片輸出能力，主要采用了研究更低損耗的多路合成電路網(wǎng)絡(luò)、新的半導(dǎo)體材料如寬禁帶半導(dǎo)體以及新的半導(dǎo)體工藝等手段，；3.2.4 .1芯片式功率合成3個(gè)IMPATT二極管芯在塊金剛石基板上合成 電路式合成技術(shù)是多個(gè)功率放大單元通過(guò)傳輸線(xiàn)、電橋等合成網(wǎng)絡(luò)形式組合在一起，從而實(shí)現(xiàn)較大的輸出功率。但是，由于合成結(jié)構(gòu)的損耗與合成芯片的數(shù)目具有一定的非線(xiàn)性