寬帶放大器的設(shè)計(jì)方法以及仿真

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(shí)間，其設(shè)計(jì)通常采用傳輸線作為輸入和輸出匹配電路。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(shè)計(jì)。理解砷化鎵微波單片集成電路GaAs MMIC分布式放大器的設(shè)計(jì)，對(duì)很多寬帶電路的應(yīng)用都會(huì)有很大的幫助。

約翰·霍普金斯大學(xué)從198?年開(kāi)始就開(kāi)設(shè)了MMIC設(shè)計(jì)課程，并在讓學(xué)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(dān)任該課程的助教)設(shè)計(jì)的分布式放大器作為該課程一個(gè)經(jīng)典的設(shè)計(jì)例子。該設(shè)計(jì)甚至經(jīng)歷了低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)，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(shè)計(jì)方法以及仿真和實(shí)測(cè)的結(jié)果。

　　圖1：采用微帶傳輸線的分布式放大器電路結(jié)構(gòu)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(hào)(如圖1)，同時(shí)另一條并行的傳輸線用于收集各個(gè)有源器件的輸出信號(hào)，并將其疊加。每一級(jí)提供相當(dāng)?shù)脑鲆?，但是增益分布在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)。和級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)相比，總增益是各級(jí)增益之和，而不是各級(jí)增益的乘積。但使用集總參數(shù)元件來(lái)近似分布式傳輸線時(shí)(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(gè)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(shè)計(jì)總要綜合考慮的各種參數(shù)包括：放大器的級(jí)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(jí)的直流偏置。更多的級(jí)數(shù)意味著更大的增益-帶寬積，但是也會(huì)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(lái)優(yōu)化增益、反射系數(shù)、輸出功率和噪聲系數(shù)等各項(xiàng)參數(shù)。

　　圖2：采用集總參數(shù)元件的分布式放大器電路結(jié)構(gòu)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(yīng)用場(chǎng)合很多，對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求很靈活，寬帶增益是其中最重要的一項(xiàng)指標(biāo)。在Craig Moore這個(gè)設(shè)計(jì)例子中，采用了增強(qiáng)型PHEMT器件，因?yàn)樵鰪?qiáng)型器件只需要一組正電壓供電。為了能提供和198?年TriQuint半導(dǎo)體公司采用的0.5μm GaAs MESFET工藝的電路相同的性能，該設(shè)計(jì)采用了0.5μm GaAs PHEMT工藝，并且使用3級(jí)晶體管放大拓?fù)?。為了適應(yīng)電池供電的應(yīng)用，選用3.3V電壓。當(dāng)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(jié)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(shí)，性能的變化也很小。為達(dá)到最佳增益、匹配性能，采用安捷倫?司的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件ADS進(jìn)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(jié)果。