SiGe BiCMOS低噪声放大器激光单粒子效应研究

随着CMOS工艺的日益成熟和SiGe外延技术水平的不断提高,SiGe BiCMOS低噪声放大器(LNA)广泛应用于空间射频收发系统的第一级模块.SiGe HBT作为SiGe BiCMOS LNA的核心器件,天然具有优异的低温特性、抗总剂量效应和抗位移损伤效应的能力,然而,其瞬态电荷收集引起的空间单粒子效应是制约其空间应用的瓶颈问题.本文基于SiGe BiCMOS工艺低噪声放大器开展了单粒子效应激光微束实验,并定位了激光单粒子效应敏感区域.实验结果表明,SiGe HBT瞬态电荷收集是引起SiGe BiCMOS LNA单粒子效应的主要原因.TCAD模拟表明,离子在CMOS区域入射时,电离径迹会越过深沟槽隔离结构,进入SiGe HBT区域产生电子空穴对并引起瞬态电荷收集.ADS电路模拟分析表明,单粒子脉冲瞬态电压在越过第1级与第2级之间的电容时,瞬态电压峰值骤降,这表明电容在传递单粒子效应产生的瞬态脉冲过程中起着重要作用.本文实验和模拟工作为SiGe BiCMOS LNA单粒子效应抗辐射设计加固提供了技术支持.

面向Q/V波段卫星通信应用干扰抑制GaAs低噪声放大器

针对卫星通信应用,本文基于Ga As pHEMT工艺设计并仿真了一款覆盖37~52 GHz具有干扰抑制功能的低噪声放大器芯片。所设计低噪声放大器电路包括三级放大器,为实现低噪声和宽带特性,为每一级放大器设计了源电感。为了实现8~23 GHz干扰信号的抑制,在每一段匹配网络的设计中引入了传输零点,通过多级具有滤波功能的匹配网络实现对干扰信号的强抑制。同时,为了增强电路输入输出回波损耗,在末级放大器中增加了负反馈结构,对电路噪声特性基本不产生影响。最终,对电路进行了电磁仿真,在37~52 GHz范围内实现了16.6~25.2 dB的增益和1.9~2.8 dB的噪声系数,同时在8~23 GHz范围内,实现了50~150 dB的干扰抑制。

X波段GaAs MMIC低噪声放大器设计研究

文章针对雷达和卫星通信等微波系统需求,设计一种X波段GaAs单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)低噪声放大器。该电路为两级放大器级联结构,采用自偏置电路结构,实现单电源3.5 V供电。通过电感峰化和宽带匹配等技术实现X波段的工作频率全覆盖,并实现较低的噪声系数。测试结果表明,在8~12 GHz频率范围内,低噪声放大器功率增益大于23 dB,噪声系数小于1.7 dB,输出1 dB压缩点功率大于13 dBm。

基于101.6 mm晶圆35 nm InP HEMT工艺的340 GHz低噪声放大器芯片研制

实现了在101.6 mm InP晶圆上制备35 nm的增强型InP高电子迁移率晶体管。通过InAs复合沟道外延结构设计,使得室温二维电子气迁移率面密度乘积达到4.2×10^(16)/(V·s)。采用了铂钛铂金埋栅工艺技术,典型器件最大跨导达到2900 mS/mm,电流增益截止频率达到460 GHz,最高振荡频率为720 GHz。同时研制出340 GHz低噪声放大器芯片,在310~350 GHz内小信号增益22~27 dB,噪声系数在8 dB以下。建立了340 GHz InP低噪声放大器芯片技术平台,为太赫兹低噪声单片微波集成电路的发展奠定基础。

S波段GaAs超低噪声限幅低噪声放大器芯片的研制

本文将限幅器嵌入到了低噪声放大器的输入级匹配电路,使得整体限幅放大电路的噪声系数为低噪声放大器的最小噪声系数而不需再加上限幅器的损耗,从而有效降低了整体限幅低噪声放大器的噪声系数。在此基础上,设计并实现了一款S波段限幅低噪声放大器芯片,实现了超低噪声与高耐功率的性能。测试结果表明,该款芯片在目前相近频段所有限幅低噪声放大器产品中噪声系数最小。在2.7 GHz~3.5 GHz工作频带内,实测噪声系数NF≤0.85 dB,增益≥29 dB,带内增益平坦度≤±0.3 dB,静态工作电流≤25 mA,1 dB压缩点输出功率≥8 dBm。在耐功率50 W(250μs脉宽、25%占空比)下试验30 min后不烧毁,恢复到常温时,噪声几乎无变化。芯片尺寸为3450μm×1600μm×100μm。

基于0.1-μm GaAs pHEMT工艺的最小噪声系数3.9 dB的66~112.5 GHz低噪声放大器

本文基于0.1-μm砷化镓赝配高电子迁移率晶体管(GaAs pHEMT)工艺,研制了一款覆盖整个W波段的宽带低噪声放大器。提出了一种由双并联电容组成的旁路电路,能够提供宽带射频接地,减小了级间串扰,利于实现宽带匹配。采用双谐振匹配网络实现了宽带的输入匹配和最佳噪声匹配。实测结果显示,最大增益在108 GHz处达到20.4 dB,在66~112.5 GHz范围内,小信号增益为16.9~20.4 dB。在90 GHz处,实测噪声系数为3.9 dB。实测的输入1-dB压缩点在整个W波段内约为-12 dBm。

0.6~18.0 GHz超宽带低噪声放大器MMIC

基于0.15μm GaAs E-pHEMT工艺设计并制备了一款0.6~18.0 GHz的低噪声放大器单片微波集成电路。该放大器使用一级共源共栅结构,通过负反馈实现宽带的匹配设计。同时在共栅晶体管栅极增加到地电容,共源管和共栅管漏极增加峰化电感,以提高高频增益,扩展带宽,改善噪声。常温在片测试结果表明,在3.3 V单电源供电下,0.6~18.0 GHz频带内该款低噪声放大器噪声系数典型值1.5 dB,小信号增益约15 dB,增益平坦度小于±0.9 dB,输入、输出电压驻波比典型值分别为1.7和1.8,1 dB压缩点输出功率典型值14 dBm,功耗72.6 mW,芯片面积1.5 mm×1.2 mm。

双频段滤波天线与低噪声放大器一体化设计

为了满足未来无线通信系统对小型化、多频段、低损耗的需求,基于ATF-551M4晶体管,提出了一种新型的双频段滤波天线与低噪声放大器(LNA)一体化设计,并将其应用到WiFi6频段。通过在天线上引入寄生结构,使其具有更好的双频带通滤波性能。并在两个工作频段上分别设计出与LNA输入相匹配的阻抗,实现了无需阻抗匹配网络的滤波天线与电路直接连接。该设计可以有效地降低传统射频接收机前端中阻抗匹配网络带来的损耗,改善接收机噪声系数,提高接收机灵敏度,同时实现接收机的小型化多功能集成。实测结果显示,该一体化天线在WiFi6频段内|S_(11)|dB,低频段增益>20.9 dB,高频段增益>14.1 dB,具有比较显著的双频带通滤波特性。与传统级联设计相比,一体化天线不但具有更小的尺寸,而且噪声系数在工作频段内也显著减小。噪声系数最大降低了约0.5 dB,对应的灵敏度约提高17.5%。

一种新型噪声消除宽带低噪声放大器

噪声消除技术是设计低噪声放大器(LNA)时常用的技术之一,而如何解决LNA噪声与功耗的矛盾始终是设计的难点。文章提出一种新型噪声消除结构,通过主辅支路之间添加反馈回路的方式,在不增加功耗的情况下,实现了消除主辅支路噪声的目的。基于180 nm CMOS工艺,设计了一款应用该噪声消除结构的宽带低噪声放大器。仿真结果显示,该LNA的带宽为0.40~2.36 GHz,S_(11)与S_(22)均小于-10 dB,S12小于-30 dB,最大S_(21)为14.5 dB,噪声系数为2.20~2.34 dB,功耗仅为9 mW。

一种5.0~9.3 GHz低功耗宽带低噪声放大器设计

针对Wi-Fi 6、Wi-Fi 6E(5 GHz、6 GHz)的低功耗、宽带宽等无线局域网(WLAN)设备需求,基于65 nm CMOS工艺设计了一款两级低功耗宽带低噪声放大器(LNA)。电路第一级采用结合互补共源电路的共源共栅结构,通过电感峰化技术和负反馈技术的运用,提高输入跨导,降低噪声,并拓展带宽和提高增益平坦度。第二级在共漏极缓冲器基础上引入辅助放大结构、电感峰化技术,实现抵消第一级共源管的噪声并拓展带宽。电路采用提出的前向衬底自偏置技术,以降低电路对电源电压的依赖,整体电路实现两路电流复用,从而有效降低了功耗。仿真结果表明,在5~9.3 GHz频带内LNA的S_(21)为17.8±0.1 dB,S11小于-9 dB、S_(22)小于-11.9 dB,噪声系数小于1.34 dB。在0.8 V电压下整体电路功耗为5.3 mW。

低噪声放大器热真空试验可靠性与失效机理研究

应用于航天领域的低噪声放大器,作为无线通信设备的前段核心部件,其工作环境复杂,无法进行及时的更换和维修。为了保障无线通信设备要求高可靠、长寿命,本文选择四通道接收组件一只进行热真空试验。该组件的低噪声放大器在温度范围为(-55~150)℃的热真空试验下,均发生不同程度的退化和失效,并借助金相显微镜、扫描电镜(SEM)、聚焦离子束(FIB)及微光显微镜(EMMI)等失效分析设备对试验后组件中的低噪声放大器芯片开展失效分析研究,确定芯片的薄弱环节和失效机理,为优化低噪声放大器设计,提高其在太空环境下的性能和可靠性提供实验依据。

低噪声放大器的注入损伤效应研究

低噪声放大器是射频前端电路中非常敏感的部分,易受到强电磁环境辐射经天线耦合所产生大电压/电流的影响,出现性能降级甚至损伤击穿等问题。文章以典型低噪声放大器作为研究对象,分别采用连续波和脉冲波信号对低噪声放大器开展注入损伤试验,以其增益作为主要参考参数,研究了低噪声放大器的注入损伤效应。分析了注入信号中心频率、脉冲重复频率和脉冲宽度等参数对低噪声放大器的损伤阈值的影响,旨在为射频电路器件级的电磁安全防护提供参考。

10~20GHz宽带低噪声放大器的设计和实现

阐述一款采用0.25 GaAs pHEMT工艺、基于MMIC技术的10~20GHz宽带低噪声放大器设计。联合仿真结果表明,带内增益高达28dB,噪声系数低于1.9dB,输入和输出回波损耗均低于-15dB。该芯片具有宽带宽、集成度高和功耗低的特点。

一个2.4 GHz集成的SP3T射频开关和低噪声放大器

基于90 nm SOI CMOS工艺实现的应用于无线局域网的2.4 GHz集成的单刀三掷(SP3T)射频开关和低噪声放大器.射频开关采用了一种低功耗的等效负压偏置方法,该方法能够在不使用负电压的前提下使关断状态晶体管获得等效的负压偏置,从而提高射频开关的线性度.低噪声放大器采用了负反馈技术和导数叠加技术提高线性度,利用导数叠加技术减小低噪声放大器的三阶非线性,进一步提高了负反馈低噪声放大器的线性度.低噪声放大器与射频开关集成,并带有Bypass衰减通路.测试结果表明,射频开关的发射支路实现了0.95 dB的插入损耗和34 dBm的输入1 dB压缩点,蓝牙支路具有1.68 dB的插入损耗和30 dBm的输入1 dB压缩点.在2 V供电下,接收支路在高增益模式下具有15.8 dB的增益,1.7 dB的噪声系数和7.6 dBm的输入三阶交调点,功耗28.6 mW,在Bypass模式下具有7.2 dB的插入损耗和22 dBm的输入三阶交调点.

一种用于5G终端增益可调的低噪声放大器设计

针对无线接收机需要对不同强度信号进行不同程度放大的要求,采用WIN公司的0.15μm GaAs pHEMT工艺设计了一款工作频段为5G通信频段3~5 GHz的可变增益低噪声放大器。该放大器包含两级放大电路,均采用自偏置结构,降低了端口数量,通过调节第二级放大电路的控制电压在0至5 V之间变化,可实现系统增益的连续可调范围约39.3 dB(-3.5~35.8 dB)。放大器版图尺寸为0.94×1.24 mm^(2)。控制电压为0 V时,系统噪声为0.53±0.01 dB,增益为35.5±0.35 dB,中心频点4 GHz处,OP1dB为13.2 dBm, OIP3达到32.7 dBm,表明系统具有良好的线性度。

0.1GHz~3GHz低噪声放大器设计

基于共源共栅结构、并联负反馈和自适应有源偏置技术等设计了一款应用于0.1 GHz~3 GHz的宽带低噪声放大器。共源共栅(Cascode)结构削弱米勒(Miller)效应,提高高频增益;并联负反馈结构能够压低低频增益,改善带内增益平坦度,同时改变输入和输出阻抗,改善端口回波;自适应有源偏置技术提高电路输出功率1 dB压缩点,改善线性度。电路采用GaAs PHEMT工艺进行流片加工,测试结果表明:LNA的带内增益≥19.5 dB,增益平坦度≤±0.6 dB,噪声系数≤1.2 dB,输出1 dB压缩点≥20 dBm。

2.4GHz0.25μmCMOS集成低噪声放大器的设计

采用TSMC 0.25mm CMOS工艺,设计了单端和差分两种工作在2.4GHz可应用于蓝牙的全集成低噪声放大器。详述了设计过程并给出了优化仿真结果。经比较得出,差分低噪声放大器为了取得和单端低噪声放大几乎同样的性能,要消耗双倍的功耗和面积,但因其对共模信号干扰的免疫力以及对衬底耦合的抑制作用而越来越受到青睐。

基于0.15μm GaAs pHEMT工艺的低噪声放大器设计

阐述一款源极负反馈结构的低噪声放大器设计,它基于0.15μm GaAs pHEMT工艺,采用微带线进行反馈和双边匹配,极大程度改善电路的噪声、增益和稳定性。放大器采用单电阻偏置方式,实现2V单电源供电,静态电流为78.9mA。它的中心频率为2.4GHz,在2.1~2.7GHz频段内最大增益大于16dB,增益平坦度在±0.6dB内,实际噪声系数小于1.5dB,系统在全频带内非常稳定,可适用于无线系统接收端前端设计。

紧凑型D波段宽带CMOS低噪声放大器

基于28-nm CMOS工艺,设计了一款工作于D波段的紧凑型、宽带低噪声放大器。该放大器由四级放大器单元级联而成,每级放大器单元均采用基于中和电容技术的差分共源极结构。输入、输出和级间阻抗匹配电路均由变压器网络实现,并且每个放大器单元的中心工作频率被交错配置在120GHz和155GHz附近以实现参差调谐带宽拓展,从而在宽带内实现了平坦的增益响应。仿真和测试结果表明,在34mW直流功耗下,该放大器在中心频率140GHz处实现了19.5dB的峰值增益和28GHz(128GHz~156GHz)的3dB工作带宽,噪声系数和输入1dB压缩点分别为7.8dB~9.2dB和-19.8dBm~-16.6dBm。芯片的核心面积仅为200μm×550μm。

一款Ku波段的低噪声放大器设计

阐述采用0.15μm GaAspHEMT工艺,基于ADS仿真,设计一款工作频率在12~18GHz的两级级联宽带LNA。电路采用电阻偏压实现单电源供电,输入输出级电压采用共源级放大电路自偏置的拓扑结构,保证了系统的低噪声和高增益。同时引入串联负反馈网络配合宽带匹配技术拓展系统的工作带宽。仿真结果显示,系统工作在Ku波段(12~18GHz)时,输入输出回波损耗总体小于-10dB,增益维持在19dB左右,同时系统噪声低于1.45dB,可取得良好的性能。