一种L波段300W GaN脉冲功率模块

随着第三代半导体GaN器件技术的不断发展,GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在电子系统中逐步得到了广泛应用。研制了一款小型化L波段300 W GaN脉冲功率模块。研发了满足高压脉冲工作条件的GaN HEMT芯片,采用负载牵引技术进行了器件大信号阻抗参数提取,并以此为基础设计了小型化匹配网络进行阻抗变换。基于高压驱动芯片和开关器件芯片设计了小型化高压脉冲调制电路。测试结果表明,在工作频率990~1130 MHz、工作电压50 V、脉冲宽度100μs、占空比10%下,功率模块脉冲输出功率大于300 W,功率附加效率大于53%,功率增益大于38 dB。功率模块尺寸为30 mm×30 mm×8 mm。

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.

基于谐波控制的Doherty功率放大器设计

功率放大器是无线通信里面重要的射频前端电路。为满足现代无线通信对功率放大器高效率的要求,首先基于谐波控制理论分析,设计了一种新型谐波控制电路,此新型谐波控制电路可对功率管产生的封装寄生参数进行补偿,也可对二次谐波、三次谐波进行谐波控制,提高了Doherty功率放大器效率。随后,针对传统Doherty功率放大器限制带宽的问题,提出了采用后匹配结构的方式设计Doherty功率放大器,提高了Doherty功率放大器的带宽。最后,采用Cree公司的CGH40010F GaN HEMT设计一款Doherty功率放大器并进行测试。在1.85~2.15 GHz工作频带内,Doherty功率放大器输出功率可达到44.3~44.8 dBm,增益为12~15 dB,输出漏极效率(DE)大于75%,6 dB回退效率大于60%。结果表明,提出的Doherty功率放大器在效率方面具有显著优势。

0.2~2.0GHz100W超宽带GaN功率放大器

设计并实现了一款基于0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的100 W超宽带功率放大器。基于SiC无源工艺设计了集成无源器件(IPD)输入预匹配电路芯片;设计了基于陶瓷基片的T型集成输出预匹配电路;基于建立的传输线变压器(TLT)的精确模型,设计了宽带阻抗变换器,在超宽频带内将50Ω的端口阻抗变换至约12.5Ω,再通过多节微带电路与预匹配后的GaN HEMT芯片实现阻抗匹配。最终,以较小的电路尺寸实现了功率放大器的超宽带性能指标。测试结果表明,功率放大器在0.2~2.0 GHz频带内,在漏极电压36 V、输入功率9 W、连续波的工作条件下,输出功率大于103 W,漏极效率大于50%,输入电压驻波比(VSWR)≤2.5。

面向无线传感网络的双向射频功率放大器研究

针对无线传感网中通信模块存在的发射功率小、接收灵敏度低、难以适应恶劣的工业无线环境的现状,本文设计了一种工作于470MHz频段的双向射频功率放大器。选用Renesas公司的SiGe工艺NPN晶体管NESG270034和NXP公司的第五代Si材料工艺NPN晶体管BFU530W分别设计正向放大器和反向放大器。利用ADS软件对其进行仿真及实验测试分析,测试结果表明:在470MHz频段内,正向放大器增益为18.9dB,S11小于-15dB,S22小于-15dB;反向放大器增益大于15dB,噪声系数小于1dB,S11小于-15dB,S22小于-15dB。最后联合cc1120~470MHz节点测试发射功率和接收灵敏度。

一种超低失调集成运算放大器的设计与实现

基于双极型工艺设计了一种超低失调集成运算放大器。通过在差分输入级的有源负载处设计电阻修调网络来调整失调电压,并针对基极电流补偿不可控的问题设计了可修调的基极电流补偿结构来降低偏置电流,利用激光修调技术减小基极补偿结构引入的随机失调,有效改善了输入级失调。增益级采用结型场效应晶体管(JFET)差分对管以获得高增益,输出级采用全npn晶体管的乙类输出结构可满足大功率输出需求。芯片实测数据表明:在全温度范围内,失调电压最大为-25.3μV,失调电压温漂为0.025μV/℃,输入偏置电流为-3.535 nA,输入失调电流为-0.825 nA。实现了超低的失调电压、电流和温漂。

新型连续B/J类功率放大器设计

为满足无线通信技术对高性能功率放大器的需求,提出一种新型宽带高效率B/J类功率放大器的设计方法。区别于传统连续B/J模式,设计中引入变量因子重塑其时域电压波形表达式,推导出扩展的阻抗设计空间。扩展的阻抗设计空间增加了阻抗匹配的灵活度,拓展了带宽,同时仿真表明可获得与传统连续B/J类功率放大器相同的功率和效率。基于此新型阻抗匹配技术,设计了一款工作频段为1.5~2.5 GHz的GaN HEMT宽带功率放大器。测试结果表明,在该频率范围内,输出功率大于40.6 dBm,漏极效率为72.4%~79.1%,增益为10.6~11.9 dB表明,所提出方法具有有效性.

基于运算放大器的超导纳米线单光子探测器低温直流耦合读出电路

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具有高计数率、高探测效率和低暗计数等优点,在光量子通信、光量子计算、激光测距与成像等领域发挥着重要作用.SNSPD的最大计数率(探测速度)会受前级读出电路的影响,为了提升最大计数率,通常需要使用一个宽带宽的低温直流耦合读出电路.本文报道了基于商用高速运算放大芯片OPA855搭建的SNSPD低温直流耦合放大读出电路,系统表征了该电路从室温300 K到低温4.2 K下的性能参数.通过提升OPA855的工作电压,解决了电路在低温下带宽损失的问题.进一步,将OPA855放大电路安装在40 K温区,使用其实现了SNSPD探测性能的实验评估.相对于常规室温交流耦合电路,SNSPD的最大计数率约提升了1.3倍.本研究可为OPA855芯片在高速SNSPD等低温领域提供相关参考信息.

基于45 nm CMOS SOI工艺的毫米波双频段低相噪压控振荡器设计

本文基于45 nm互补金属氧化物半导体绝缘体上硅工艺(Complementary Metal Oxide Semiconductor Silicon On Insulator,CMOS SOI)设计了一款支持5G毫米波24.25~27.5 GHz和37~43.5 GHz双频段的低相位噪声压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO).基于CMOS SOI工艺良好的晶体管开关特性,结合开关电容阵列及开关电感方案,提高宽带调谐电容、电感Q值,扩展VCO工作频段,降低相位噪声.同时,输出匹配网络也采用开关电容切换方式,实现了5G毫米波双频段良好阻抗匹配及稳定功率输出.流片测试结果表明该VCO可以完整覆盖5G毫米波双频段24.25~27.5 GHz和37~43.5 GHz,低频段输出功率-4.8~0 dBm,高频段输出功率-6.4~-2.3 dBm.在24.482 GHz载频,1 MHz频偏处的相位噪声为-105.1 dBc/Hz;在43.308 GHz载频,1 MHz频偏处的相位噪声为-95.3 dBc/Hz.VCO核心直流功耗15.3~18.5 mW,电路核心面积为0.198 mm^(2).低频段(高频段)的FoM(Figure of Merit)及FoMT优值分别达到-181.3 dBc/Hz(-175.4 dBc/Hz)、-194.3 dBc/Hz(-188.3 dBc/Hz).

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。

面向脉冲调制器的S波段高效线性MMIC功率放大器

针对脉冲调制全数字发射机中高速数字信号难以高效驱动射频功率放大器的问题,提出了一种高效线性MMIC功率放大器设计方法。采用连续F类功率放大器提高数字发射机系统的效率,采用三阶互调抵消改善临近饱和线性度。基于南京电子器件研究所GaAs pHEMT工艺,研制了一款S波段高效率线性功率放大器进行验证。测试结果表明,在3.4~4.0 GHz频段内,当输入功率为-10 dBm时,输出功率为26.2~26.7 dBm,功率附加效率为53.3%~60.7%,功率增益为36.2~36.7 dB。在3.7 GHz频点,输出功率为24.5 dBm,三阶互调失真小于-30 dBc;9 dB峰均比、40 MHz正交频分多路复用的64-QAM调制信号激励下,平均输出功率及对应的功率附加效率分别为20.5 dBm和28%,实现了-30 dBc的邻道功率比及5.5%的误差向量幅度。

一种低功耗低失调的集成运算放大器

针对高精度、低功耗运放的需求,利用40V双极型工艺设计了一款电源电压为3~30V的低功耗、低失调集成运算放大器。该运放为单片四通道结构,利用一个不完全对称的二级运放,以减小电路的功耗,同时使得输入级失调得到有效改善。并且在输入级加入了一对射极跟随器,增大电路的输入阻抗,使得输入基极电流有效减小。芯片的测试结果表明,在-55~125℃的范围内,平均开环增益可以达到105.998dB,平均失调电压为159.27μV,平均输入偏置电流为-5.787nA,平均输入失调电流为-0.287nA,单个运放的平均电源电流为189.679μA。

一种用于传感器模拟前端的可编程增益放大器

基于华虹0.18μm CMOS工艺设计了一款用于传感器模拟前端的可编程增益放大器(PGA),其整体采用全差分结构来抑制传感器输出的共模噪声、直流分量以及供电电源的输出噪声。该电路由仪表放大结构轨对轨输入级、轨对轨自动调零全差分运算放大器、数字控制电路以及直流分量消除电路这四个部分构成,同时采用连续时间自动调零校准技术来降低其输入失调电压。PGA的放大倍数为5 bit调节,共12个档位,分别为1,2,4,8,…,1024,2048倍。在3.3 V电源电压下,PGA输入输出摆幅为0.2~3.1 V。在输入500 mV的直流分量条件下,在-40~125℃的温度范围内,可将直流分量抑制到47.6μV。通过Virtuoso软件进行电路设计、版图绘制以及仿真验证,后仿真结果表明,在进行100次蒙特卡罗仿真下,电源抑制比和共模抑制比在1 kHz处的平均值分别约为110.3 dB和116.1 dB,输入失调电压的1σ值约为21.3μV。

基于平均电流控制的恒功率控制电路设计

为解决HID灯的老化及灯的伏安特性变化引起的功率漂移问题,基于Buck降压变换器的平均电流控制模式,设计并制作了一款具有恒功率控制能力的数字控制电子镇流器驱动电路,包含两个控制环路:内电流环路用于维持稳定驱动,外功率环路用于维持灯在其使用期间的功率恒定,并根据Buck降压变换器DCM模式下的小信号模型,以PI算法作为数字补偿器,完成补偿环路设计,保证电路输出稳定性。为抑制声共振,该电路结构采用三级式结构的电子镇流器,以低频方波驱动。设计和测试结果表明,该电子镇流器驱动电路可实现450 W的恒功率控制,误差值小于3%。该电子镇流器驱动电路结构简单,可靠性高,可适用于450 W HID灯驱动。

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。

基于简易实频技术的宽带高效率功率放大器设计

为了满足5G通信系统对功率放大器带宽和效率的要求,基于CGH40010F晶体管,采用简易实频技术,设计了一款工作在n77频段(3.3 GHz~4.2 GHz)的宽带高效率功率放大器。首先采用负载牵引的方法对各频点的基波最佳阻抗值以及二次谐波阻抗空间进行提取,选择简易实频技术设计宽带匹配网络,在其仿真性能良好的前提下,进行了加工测试。测试结果表明,该功率放大器在3.3 GHz~4.2 GHz频段内,漏极效率为58.1%~64.5%,增益为11.1 dB~12.9 dB,饱和输出功率为39.6 dBm~41.3 dBm。该功率放大器的性能良好,且带宽和效率具有一定的优势,可为后续宽带高效率功率放大器的设计提供参考。

Ka波段连续波9 W GaN功率放大器

本文研制了一款采用0.15μm碳化硅基氮化镓功率MMIC工艺的Ka波段连续波功率放大器芯片。功率放大器采用了3级共源级联结构。输出级采用了16个晶体管进行功率合成,有效地分散了热分布,输出匹配网络采用低损耗拓扑架构,保证了输出功率与附加效率。级间匹配采用了最大增益匹配,同时兼顾了小信号增益平坦度。在28 GHz~30 GHz内,小信号增益为25 dB,28 V偏置电压下连续波输出功率大于39 dBm,功率增益为17 dB,附加效率大于25%,热阻为1.41℃/W。输出功率为35 dBm时,IMD 3小于-25 dBc,芯片面积为3.0 mm×3.1 mm。

改进型过阈时间法多通道幅度测量中的基线恢复方法

过阈时间法将信号幅度测量转换成为对过阈时间的测量。采用可变阈值的改进型过阈时间法能够显著优化系统的线性,使其在能谱测量中发挥作用。其所需的比较器和时间数字转换器均可在FPGA内实现,在多通道幅度测量中可大大简化数据采集系统。过阈时间法对波形和基线稳定性有较高要求,在高计数率下,堆积和基线偏移会对测量造成影响。提出一种通过可变阈值采样基线的校正方法,基于信号模拟系统验证了该方法的可行性,初步分析了其基线恢复的效果。该方法可显著提升过阈时间法在高计数率下的稳定性。