一個集成濾波功能的低噪聲放大器設(shè)計原理圖

研究意義

隨著5G的發(fā)展，毫米波通信成為一項關(guān)鍵技術(shù)，前端芯片是5G毫米波系統(tǒng)的核心組成之一。GaN工藝由于具有高頻率、高功率、高效率等特性是5G毫米波芯片的一個很好選擇，然而毫米波GaN射頻前端芯片設(shè)計在輸出功率、效率和系統(tǒng)噪聲等方面面臨一系列挑戰(zhàn)。同時，濾波器在前端中也有著重要的作用，在接收機下變頻時，鏡像頻段處的信號會變頻到中頻帶處，引入干擾，此時濾波器可用于抑制鏡像頻段處的干擾。而在常見的前端設(shè)計中，低噪聲放大器和濾波器通常是分開設(shè)計的，它們的互連會帶來額外的損耗，單獨設(shè)計在集成電路上的濾波器則會占用較多的面積，不利于電路小型化。 ?

本文工作

為了解決上述問題，本文提出了一個集成濾波功能的低噪聲放大器，該放大器將高通濾波電路融入到阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)了對低頻干擾信號的抑制。提出的電路原理圖如圖1(a)所示，采用三級放大結(jié)構(gòu)，由于放大器的噪聲系數(shù)主要由第一級決定，輸入匹配電路采用低噪聲系數(shù)匹配，用以獲得盡可能低的噪聲系數(shù)。級間以及輸出匹配由電容和電感構(gòu)成L-C-L的π型網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)高通濾波阻抗匹配。電路采用150-nm GaN-on-SiC工藝實現(xiàn)，具體版圖如圖1(b)所示，面積約為1.65×1.15 mm2。 ?

(a)

(b) 圖1 集成濾波功能的低噪放 (a) 原理圖；(b) 版圖 ?

本文的創(chuàng)新點如下：

（1）級間匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為π形高通濾波阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由兩個并聯(lián)電感和一個串聯(lián)電容組成（L-C-L），在實現(xiàn)復(fù)阻抗匹配的同時實現(xiàn)高通濾波響應(yīng)。

（2）輸出匹配中，使用L-C-L-C-L網(wǎng)絡(luò)，由兩個級聯(lián)的L-C-L的π型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，合并中間的兩個并聯(lián)電感，并由串聯(lián)LC電路來代替這個電感，使得在低頻處引入一個傳輸零點，在不加大電路尺寸的情況下，可以有效的抑制鏡像頻段或衛(wèi)星頻段上的雜波。

實驗結(jié)果

本文對所提出的低噪聲放大器進行了測試驗證。仿真和測試的結(jié)果如圖3所示，測試結(jié)果顯示，該電路工作在12~18.2 GHz頻段，頻段內(nèi)最大增益為21.7 dB，3 dB通帶為11.6~18.9 GHz，在該頻段內(nèi)可以實現(xiàn)1.5~1.9 dB的噪聲系數(shù)，整體的直流功耗為530 mW。帶外在10 GHz和8 GHz以下頻段分別有34 dBc和64 dBc以上的抑制效果，在具有良好的選擇性。在通帶內(nèi)，線性度IP1dB大于-7dBm。與先前發(fā)表的論文進行了比較，該設(shè)計實現(xiàn)了良好的低噪聲放大器性能和高阻帶抑制。 ?

（a）

(b)

(c) 圖3 芯片仿真和測試結(jié)果 (a) S參數(shù)；(b) 噪聲系數(shù)；(c) 測試的輸入輸出1dB 壓縮點 ? ? ?

Hui-Yang Li, Jin-Xu Xu?& Xiu Yin Zhang.?A Ku-band image-rejection filtering LNA MMIC in?150-nm GaN-on-SiC technology.?Sci China Inf Sci，doi: 10.1007/s11432-023-3849-x

編輯：黃飛

?