（电路与系统专业论文）s波段单片低噪声放大器和混频放大器设计与研究.pdf

中国科学技术人学硕上学位论文 摘要 摘要 s 波段( 频段：2 4 g h z ) 单片低噪声放大器和混频放大器是雷达接收机中 重要组成部分，是实现接收机高性能、小型化、低成本的关键技术。其应用领域 正不断扩大，已广泛应用于通信，雷达，航天和卫星电视接收等领域。 本文首先研究了s 波段的单片低噪声放大器( l n a ) ，取得了新的进展，主要 内容有： 1 研究了低功耗、单电源、宽频带的应用技术，解决了常规砷化镓电路所需 的负电源供电和带宽较窄的难点。 2 利用a g i l e n t 的a d s 软件，设计出更适合实际应用的器件模型，提高了电 路的性能。 3 采用0 2 5 u m 砷化镓赝配高电子迁移率晶体管( g a a sp h e m t ) 工艺研制出 单片低噪声放大器芯片，主要、坝4 试结果：单电源3 7 ；工作频带2 7 3 6 g h z ；噪 声系数n f 1 4 8 d b ( 3 6 g h z ) ；增益g 2 0 d b 。结果表明，研制的l n a 功耗低，工 作频带宽，应用前景广阔。 4 本文对电路测试结果进行了分析，得出缩短栅长，加宽电感和互连线是提 高电路性能的重要途径，同时合理选择工作电流，也可以改善电路的性能。 本文还研究了s 波段的单片有源混频放大器，主要内容有： 5 提出了改进的差分对本振和共栅射频混频形式，取得了较大的变频增益和 高的隔离度，解决了常规混频器本振和射频信号及中频信号隔离度差的难题。 6 在集成电路设计中将补偿放大器与变频器结合在一起，提高了单片电路的 集成度。 7 采用0 2 5 u mg a a sp h e m t 工艺研制出单片有源混频放大器芯片，主要测试 结果：输入l o 和r f 的隔离度大于4 3 d b ，l o 和i f 的隔离度大于4 8 d b ，变频增 益大于1 2 d b 。芯片性能处于国内先进水平。 8 本文对测试结果进行了分析，得出差分对混频是降低谐波的重要途径， 并且采用多栅结构，可以增大电路的输出能力，提高性能。 本文还深入研究了多层基板技术和多芯片组装( m c m ) 技术。利用这些技术， 中国科学技术大学颂士学位论文摘要 采用单片集成电路和微型封装的表面贴装器件研制了高集成度的微型接收机，体 积仅为1 7 1 2 x 3 8 m m3 ，重量仅4 0 0 克，其性能处于国内先进水平。试验结果表 明研制的轻小型化接收机可以有效降低雷达的体积和重量，提高稳定性和可靠 性。 关键字：单片集成电路砷化镓低噪声放大器有源混频放大器微型接收 机 2 巾国科学技术大学颐土学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a s - b a n d ( f r o m2t o4 g h z ) m o n o l i t h i cl o wn o i s ea m p l i f i e ra n dm i x e ri so n eo f t h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t si nt h er a d a rr e c e i v e r ，a n di sak e yt e c h n o l o g yf o r a c h i e v i n gah i g h e rd e g r e eo fs y s t e mp e r f o r m a n c e ，r e d u c i n gi t ss i z ea n dw e i g h t ，a n d g e t t i n gl o wc o s t t h e ya r ea c h i e v i n gw i d e ra n dw i d e ra p p l i c a t i o n ，a l r e a d yr a n g i n g f r o mc o m m u n i c a t i o n s ，r a d a ra n ds p a c e f l i g h ta n ds e c o n d a r yp l a n e tt vr e c e i v e r s t h i sp a p e rd i s c u s s e sas - b a n dm o n o l i t h i cl o wn o i s ea m p l i f i e r , a n ds o m en e w i m p r o v e m e n t si sa c h i e v e d t h em a i nc o n t e n t sa r e ： 1 t h i sp a p e rd i s c u s s e sl o wd i s s i p a t i o na n da l o n ep o w e rs u p p l ya n do v e ra f r e q u e n c yb a n da n dh a v es o l v e dt h ed i f f i c u l t yi nt h ea p p l i c a t i o na tan e g a t i v ep o w e r s u p p l ya n da n a r r o wf r e q u e n c yb a n d 2 a d d i t i o n a l l y , a ni cm o d e lm o r ea p p r o p r i a t ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o nh a sb e e n s y n t h e s i z e db ym e a n so fa ne l e c t r o m a g n e t i s ms i m u l a t i n gt o o l ，a n ds i m u l a t e d i n o p t i m i z a t i o nb ya p p l y i n gt h ea g i l e n t sa d ss o f t w a r e ， 3 a n dam o n o l i t h i cl o wn o i s ea m p l i f i e rh a sb e e nd e v e l o p e db ya d o p t i n gt h e 0 2 5 u mg a a sp h e m tt e c h n o l o g y h e r ea r et h em a i nt e s tr e s u l t s ：f r e q u e n c y b a n d w i d t hf r o m2 7 g h zt o3 6 g h z ；n f = 1 5 d b ( 3 6 g h z ) ；a n dg = 2 0 d b i ti sp r o v e n b yt h ea c t u a lr e s u l t st h a tt h el n a h a v el o wd i s s i p a t i o na n dw i d ef r e q u e n c yb a n d 4 t h i sp a p e ra n a l y s et h et e s tr e s u l ta n dp o i n to a tt h a tt h ei n d u c t o r sa n d c o n n e c t i o nm e t a ls h o u l d b em o r ew i d e rf o ra c h i e v i n gab i g h e rd e g r e eo fs y s t e m p e r f o r m a n c e ，a n dt h ec u r r e n ts h o u l d b ei n v e s t i g a t e d t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e sam o n o l i t h i cm i x e r , t h em a i nc o n t e n t sa r e ： 5 i t sc i r c u i ti sah y b r i do fa ni m p r o v e dd i f f e r e n t i a ll o c a lo s c i l l a t o ra n dam u t u a l g r i dr fm i x e r ，h e r e b ya c h i e v i n gah i g h e rc o n v e r s i o ng a i na n di s o l a t i o n , a n ds o l v i n g t h ed i f f i c u l t yo fw o r s ei s o l a t i o nb e t w e e nl ow i t hi fa n db e t w e e nr fw i t hl a d 6 f u r t h e r m o r ei n t e g r a t i n gt h ec o m p e n s a t i n ga m p l i f i e ri n t ot h em i x e r , a sar e s u l t ， e n h a n c i n gt h ei n t e g r a t i o nd e g r e eo fe l e m e n t a r yc i r c u i t s 7 am o n o l i t h i cm i xa n da m p l i f i e rh a sb e e nd e v e l o p e db ya d o p t i n gt h e0 2 5 u m 3 中国科学技术大学顺士学位论文 a b s t r a c t g a a sp h e m tt e c h n o l o g y h e r ea r et h em a i nt e s tr e s u l t sf r o mt h ee x p e r i m e n to na m o n o l i t h i ca c t i v em i x e r a m p l i f i e rc h i pd e v e l o p e db ya d o p t i n gt h eo 2 5 u mp h e m t t e c h n o l o g y ：i s o l a t i o nb e t w e e nr fw i t hl o 4 3 d b ；i s o l a t i o nb e t w e e nl ow i t hi f 4 8 d b ；f r e q u e n c yc o n v e r s i o ng a i n 1 2 d b i th a sr e a c h e du p t ot h ea d v a n c e d d o m e s t i cl e v e l 8 t h i sp a p e ra n a l y s et h et e s tr e s u l t sa n dp o i n to u tt h a tad i f f e r e n t i a ll o c a l o s c i l l a t o ra n dam u t u a lg r i dr fm i x e rc o u l dr e d u c eh a r m o n i o u s t h i sp a p e ra l s og i v e sa ni n - d e p t hs t u d yt ot h et e c h n o l o g i e so fm u l t i l a y e r s u b s t r a t ea n dm u l t i - c h i pa s s e m b l y b a s e du p o nt h e s et e c h n o l o g i e s ，ah i g h l y i n t e g r a t e d m i n i a t u r er a d a rr e c e i v e rh a sb e e nd e v e l o p e db yu s i n gt h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e d c i r c u i t sa n dm i n i a t u r e - e n c a p s u l a t e ds u r f a c e s t u c kp a r t s ，w h i c hh a sas i z eo f1 7 1 2x 3 8 m m 3a n daw e i 【c a to f4 0 0 9 ，r e a c h i n gu pt ot h ed o m e s t i ca d v a n c e dl e v e l i ti sp r o v e n b yt h ea c t u a lr e s u l t st h a tt h ed e v e l o p e dm i n i a t u r er e c e i v e rc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c et h e s i z ea n dw e i g h to ft h er e l e v a n tr a d a re q u i p m e n t ，a n di m p r o v ei t ss t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y , k e y w o r d s ：m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ；g a a s ；l o wn o i s ea m p l i f i e r ；a m o n o l i t h i ca c t i v em i x e r a m p l i f i e rc h i p ；m i n i a t u r er a d a rr e c e i v e r 4 第章绪论 第一章绪论 1 1 射频模拟集成电路的发展 在过去的几年中，由于移动通讯、光纤通讯、全球定位系统和雷达等产业巨 大需求的推动，射频模拟集成电路得到了高速的发展。射频模拟集成电路具有以 下几项优点：( 1 ) 去除了在芯片内部的引线键合，减少了很多限制了电路的性能 的寄_ 二参量，高频性能好，提高了可靠性和重复性；( 2 ) 大大缩小了电路的体积 和重量；( 3 ) 便于成批生产，造价低；( 4 ) 在片测试技术大大降低了测试成本。 许多发达国家纷纷投入巨资开发研究射频模拟集成电路。1 9 6 8 年德克萨斯 仪器公司研制出了最简单的g a a sm m l c ( 微波单片集成电路) 芯片，它是用肖特 基二极管与微带线一起集成构成混频器。第一只1 9 m 栅长的g a a sm e s f e t 是 1 9 7 1 年研制成功的，工作频率可以到1 0 g h z 。在此之后，c a s w e l l 公司研制出了 以m e s f e t 为有源器件的5 g h z 单片放大器。在世界范围内正式丌展此项研究 是1 9 7 9 午丌始。】9 8 4 年b k i n ，c t s i r o n i s ，j r s c o a 分别发表三篇对双栅m e s f e t 高频特性、混频特性的研究报道。1 9 9 3 年g a a si c 国际会议，发表了用h e m t 构成m m i c 双栅混频器的报道。一般这类m m i c 混频器都有着特殊用途。近几 年随着m o c v d 、m b e 材料生长技术的提高，使得异质结材料的生长成为现实， 带动了用其研制异质结晶体管( h b t ) 单片电路的研究，由于h b t 具有输出功率 高、击穿电压高、功率输出效率较高的优点，因此，用h b t 研制的微波功率放 大器频率已覆盖s 、x 、k u 波段，而且，输出功率不断提高。1 9 9 0 年美国德克 萨斯仪器公司和贝尔实验室先后研制成功了“高效率s 波段b 类工作的h b t 功 率放大器”和“具有超高功率效率的x 波段h b t ”、1 9 9 2 年德克萨斯仪器公司 又研制成功“高效率k u 波段h b t 单片微波功率放大器”、x 波段h b t 单片放 大器的输出功率，该公司由1 9 8 9 年首次报道的1 w ，提高到1 9 9 0 年的5 w ，直 到19 9 5 年该公司又研制成功连续波输出功率达1 2 5 w ，功率附加效率为3 1 ， 它代表着迄今为l 【= 单片t t b t 功率放大器的高水平。另外，在m e s f e t 、h e m t 、 t l b7 。i 、大信弓模拟以及s 参数提取方面也进行大量的研究，是这几年i e e e 几大相 关期川发表沦文的热点。尽管在m m i c 芯片研究方面取得巨大成绩，使得原来 第一章绪论 庞大的通信系统发生了重大变化。手机越来越小，基站体积也越来越小。但是， 还是存在许多问题需要解决。主要是材料工艺、器件、电路一体化设计及制造方 面还没有做到象硅集成电路那样成熟。 吲内微波荦片集成电路的研究主要集中在电子部1 3 所，5 5 所，国家从七 五丌始投入巨资丌发研究m m i c ，丰要是为国防航天领域应用。中科院上海微系 统与信息技术研究所、中科院北京微电子中心近几年也在m m i c 方面开展了多 项研究 _ 作，并与因外标准工艺线建立了良好的合作关系，合作方针是设计、测 试在国内，加工在国外，这样可以加快我国m m i c 芯片的实用化步伐。另外， 固内一些高校如西交大、西安电子科技大学、上海交大、清华大学、东南大学等 单位在午片电路设计理论方面也丌展了研究。 目前，单片集成电路已广泛应用于g s m 、c d m a ，以及雷达、移动通信、 全球定位( g p s ) ，民用领域的微波i c 卡、防撞系统和卫星电视接收等各种系统。 主要应用领域见表l 一1 。 表1 】主要应州领域 军川 航天民用 相控阵雷达通信卫星、远程监控卫星电视接收系统 电子战综合孔径雷达移动通信 智能武器 无线探测仪光纤通信系统 综合孔径雷达天文学 全球定位系统( g p s ) 智能卡 假目标设置低轨道卫吊系统 转发器有线电视多路分配系 统 高嫂仪相控阵大线 防碰撞雷达交通收费系统 仪器 医疗仪器 1 2 研究的背景和意义 射频6 u 端芯片是接收机的关键部件，其中低噪声放大器芯片位于接收机的 前端，决定了整个系统的噪声系数：混频器是频率转换电路，对系统的噪声和干 扰性能有重要的影响。目前，国内研究的种类较少，生产线工艺性能不够稳定， 成品率0 i 高，适合雷达应用的更是缺乏。本项目结合中国电子科技集团第3 8 研 究所接收研究部的科研项目，研制的集成电路：低噪声放大器芯片和有源混频放 大器芯片，集成度高、性能优良，能够在提高和积累集成电路设计水平的同时， 审田利学披术人学n 9 - 学位论文铝一章绪论 解决实际科研f l - i “的急需。 随着军事电子技术e 速发展，武器装备的多功能与小型化、叮靠性要求越来 越高。相控阵雷达，多通道接收机都迫切需要小型化、可靠性高、一致性好的雷 达接收机。针刈通常结构复杂，体积大，重量重的雷达接收机，本项目研制了一 种新型的轻小型化雷达接收机，通过采用单片集成电路，微型封装的表面贴装器 件，利用先进的多层基板技术和多芯片组装( m c m ) 技术封装各种微型化片式元器 件和半导体集成电路，重点解决了接收机中的结构设计，系统设计和电磁兼容等 技术问题。研制成功的雷达接收机，体积小、重量轻、性能优良，能显著降低雷 达的体积和重量，提高稳定性和可靠性。 1 3 本文的主要研究内容 全文共有六章，第一章作为绪论，主要介绍了射频模拟集成电路的发展和应 用。第二章主要论述了集成电路中有源器件和无源器件的原理和参数，重点给出 了g a a sm e s f e t 和p h e m t 器件的设计参数和应用。第三章介绍了低噪声放大 器在最小噪声系数要求时的设计原理，研究了低功耗、单电源、宽频带的应用途 径，利用电磁场仿真工具，设计出更适合实际应用的器件模型。介绍了应用 a g i l e n t 的a d s 软件进行仿真优化和版图的实现，并给出了芯片的测试结果。第 四章介绍了有源混频放大器的设计方法，以及改进的差分对本振和共栅射频混频 结构，着重论述了改进的电路结构和理论分析，并应用a d s 软件进行谐波平衡 法仿真优化。最后给山了芯片的测试结果。第五章论述了高集成度的微型接收机 的丌发，详细分析了接收机的工作原理和设计的关键技术：多层陶瓷基板技术和 多芯片微波组装( m c m ) 技术。并给出了试验结果和应用前景分析。第六章对整个 沦文期间的工作做了总结，提出了需要进一步改进的措旋。 中阳科学技术大学f 叭1 。学位论文 始一童 集成l b 路的器件模型和参数 第二章集成电路的器件模型和参数 在微波12 作频段，由于砷化镓( g a a s ) 材料具有电子迁移率高、最大漂移 速度人、和禁带宽度宽，特别是它具有1 0 8f ) c m 的半绝缘衬底特性。所以，g a a s 是目前微波单片集成电路( m m l c ) 领域使用最，“泛的半导体材料。微波单片集 成电路是在同一块半导体衬底上集成微波有源和无源器件构成具有一定电路功 能的集成电路。工作频率可以从l g h z 到1 0 0 g h z 以上。微波单片集成电路与混 合集成电路比较如衷2 1 所示。 表2 - 1 微波单片集成电路与混合集成电路比较 m m l c ( 尊片电路)m i c ( 混合电路) 受分立器件价格影响，总体价格要高 人鼙! e 产，芯片价格便官 由于受器件选择及焊接技术影响，重复性 芯片l 。艺加i 重复性好 不好 芯片小重量轻 电路尺寸犬 可靠性好可靠性差 寄生参数少，较易做剑宽带、高频电路焊接过程中容易引起寄生参数 利底材料贵微带基片较便宜 i 一艺流片周期k电路加一l 很快 投资人，需要r 艺线投资小，只需测试仪器 典型的微波单片集成电路结构如图2 1 8 1 所示 幽21 典1 1 的微波单片集成电路结构i 8 】 无源器件分为集总与分确j 元件，集总元件包括构成的匹配网络，偏置网络的 电阻、集总电感、集总电容、金属半导体谐振器等，分布元件由传输线段构成。 鹅一章 集成u 路的器件模型和参数 有源器件通常采川g a a sm e s f e t , h e m t , p h e m t ，h b t 及肖特基二极管，选用 有源器件种类的不同决定了m m i c 在不同性能上的差异。 21g a a sm e s f e t 器件模型 在一般m m i c 电路中应用较为广泛的是单栅m e s f e t ，其结构如图2 2 。它 是在g a a s 半绝缘衬底上，通过全平面离子注入工艺形成有源层，再在其上蒸发 a u g e n i a u 欧姆接触源漏电极和t i a u 肖特基栅电极，构成三端器件。 s _ = = l g s - i g a a s 幽2 2 单栅m e s f e t 当源一漏之州加上肖特基栅电极以后，栅极下面就形成耗尽层，栅压的大小 直接控制耗尽层的高度以及导电沟道的面积，从而改变i v 特性。通过求解一维 泊松方程和电流连续性方程得到气表达式川： 屯。= b d ) ( 2 1 ) 其中耗尽层厚度可表示为：d 于是( 2 1 ) 式：，m = q n v , 。，| y = k ，一 ( 2 2 ) 单栅m e s f e t m e s f e t 典型i v 曲线如图2 3 ，小信号等效电路如图2 4 。 乒 一生一堡 rj圹，i 第一章 集成e b 路的器件模型和参数 幽2 3m e s f e t 典型1 v 曲线圈2 4m e s f e t 小信号等效电路 g a a sm e s f e t 的放大作用主要取决于跨导岛，它代表了栅电极对电流控 制能力。 一一。= 甜。 些益 (23)d 、， 在m e s f e t 中耗尽层高度d 随着负栅压比增加而增加，直到导电沟道彻底 火断，此时跨导最小。 等效电路中跨导 矾，。西i 警巧 m e s f e t 截止频率 定义为器件增益下降为1 时的工作频率。由图2 3 可 见 。，= g 。圪 i i n = v g c j 硬。 电流增益：吲2 石g m 截止频率：厂尸荔g 瓦m ( 2 4 ) ( 2 5 ) 最人振荡频率定义为单向功率增益为1 时的工作频率，简单的估计方法。 蜊曾益铲( 爿2 去= ( 爿2 去 s ， 第一章 熊成i u 路的器刊模型千参数 = 双 b ， 其中月，和r 。分另u 为器件的负载和输入阻抗。 如果令足= 0 时，根掘电路分析原理，得到y 参数表示式 = m 2 c 勰a + j o , ( c 。、爿+ c ) y ：，= 1 r 。“+ c 。，+ ( j “) f 28 1 地= g 。一岛：q , j e 。帕一水。r + ：) 卢+ 珊q 。 y 】2 = 一j c o c r , ， 其中 由( 2 8 1 式推出等效电路参数 c j 。= 如) 卢一q ， c 矿h ( y ，) 知一c c 扩一) 弘 r j 、= x r l 如】 r 2 9 a 1 r 2 9 b ) f 2 9 c ) f 2 9 d 1 尺，= r ( y 1 1 ) 鲫吖 ( 2 9 e ) g 沪r y ：1 ( 2 9 f ) r = h ( 如) 局一g r 一( o 居。 ( 2 9 9 ) 上式中一受测量误差影响最大，如果测量b 。j = 】，它就不能求出。另外， ( 2 9 b ) 、( 2 9 0 、( 2 9 9 ) 备式在频率c 。r ，) 2 1 时，精确度较高，否则也存在较 大误差。 通常微波网络分析仪测出的是s 参数，而_ i 是y 参数。对于任意线性双口 网络，s 参数与y 参数的转换关系如下： 、吖 珊 文 2 x、e g ，“ m 占 汇 = 卜p i + 舅 l 一 】 i 爿 g 批一章 集成山路的器件模型和参数 ( 1 + s 2 ：) ( 1 一s i , ) + s ：蔓 _ ”“一( 1 + s , l ( 1 + s 2 ：) 一s ：马， 2 s2 ”一( 1 + s l ) ( 1 一量! ) 一s ：岛一 ( 2 1 。) 一，c 、 y 2 1 一( i + s ，) ( i + 疋：) 一s ：是。 ( 1 + s ) ( 1 一是：+ s i ：是， 儿2 一( 1 + & ：) ( 1 + s 。) 一s ：是， 一旦测量出s 参数，即可用( 2 1 0 ) 式求出y 参数，然后由( 2 9 ) 式求出等效电 路参数。特别要注意的是这组等效电路参数是对应不同频率点的值，具有多值性。 通常采用取平均值的方法来确定。 2 2g a a sp h e m t 器件模型 2 2 1g a a sp i t e m t 器件的结构 赝配g a a s 高电子迁移率晶体管( p h e m t ) 由于高电子迁移率，高截止频 率n 和低膝点电压及低噪声特性，在低电流，低电压下，容易得到低噪声和高 增益，失真小，非常适合在雷达接收机中应用。 本节先以常见的a l x g a h a s g a a sh e m t 为例说明h e m t 器件的工作原 理，再介绍改进的p h e m t 的性能。h e m t 是利用异质结材料能带的不连续性 实现掺杂原子与栽流于在空间上的分离，在异质结界面处形成二维电子气。由于 减小了库仑散射的影响，h e m t 的性能较m e s f e t 有很大的提高。首先在半绝 缘的g a a s 衬底上生长g a a s a 1 g a a s 异质结。h e m t 器件结构如图2 5 所示”， 兰塑型塑氅 g a a s ia l o a a s p a c e r g a a ss u b s t r a t e 图2 5h e m t 器什结构 潺尽白灏墨 中围刊学技术人学坝l 学位论文第二章集成r u 路的器件模型和参数 h e m q l 器件利用g a a s 突变异质结界面处能带的不连续性，在异质结界面两 边形成势阱和势垒，施主杂质原子在异质结界面很近的宽带隙半导体a l x g a l a s 中，而电子从施杂母体分离转移到末掺杂的窄带隙半导体g a a s 中，并堆积在通 常小于2 0 0 a 的二维势阱中，形成二维电子气。这层二维电子气在未掺杂的窄带 隙半导体中运动，减少了杂质离子的库仑散射对电子定向运动的干扰，从而明显 提高了电子迁移率，尤其是在低温下的电子迁移率。 目前减小沟道层的禁带宽度的p ( 赝配) h e m t 被广泛地采用，与传统的 a l x g a h a s g a a s 结构相比，它是用非掺杂的i n x g a l 。a s 取代g a a s 沟道层。 p h e m t 与h e m t 相比，具有以下优点： 1 ) i n x g a h a s 层二维电子气的电子迁移率和电子饱和速度均高子g a a s ； 2 ) l n x g a 】- x a s 的禁带宽度低于g a a s ，增加了导带不连续性： 3 ) i n x g a l 。a s 禁带宽度低于两侧a l x g a l 一。a s 和g a a s ，从而形成了量子 阶，提高了= 维电子气密度和降低了输出电导。 2 2 1 ( ；a a sp h e m l 器件的噪声分析 p h e m t 的噪声主要来自于以下三个方面：热噪声，闪烁噪声( 1 f 噪声) 和 沟道噪卢，闪烁噪声主要是载流子的表而复合与产生引起的，产生的原因比 较复杂，与半导体材料、表面处理、结工艺技术以及半导体引线焊接等多种因素 有关，频谱集中分布在几十于h z 以下，在微波范围内强度极其微弱，影响可以 忽略。热噪声是由于损耗电阻中载流子的热起伏效应引起的，是强度与频率无关 的白噪声，电阻的热噪声可用一理想化的电导与一个噪声电流源的的并联等效电 路来表示。沟道噪声则是沟道中的载流予的热起伏效应对沟道横截面的噪声调 制，分别在漏板上引起了放人了的噪声电流和在栅极上感应出的栅感应噪声，当 漏极电压增大时，由于i ) 沟道中产生的热噪声电压使沟道横截面调制作用加强： 2 ) 载流子的散射噪声增大；3 ) 由于载流子与半导体晶格碰撞的增强，使载流子 和半导体品格温度升高，热噪声进一步增大：4 ) 谷际散射噪声使噪声进一步增 火。 p t i e m tr i ，以看作是两端口噪声网络，其噪声特性可用四个噪声参数来表 示，即最小噪声系数n f m i n ，噪声电阻r n ，最佳源电阻r o p 和最佳信号源电抗 第二幸集成l 乜路的器件模型和参数 x o p ，f u k u i 给出的噪声系数计算为： ， 巾。，= 1 + 1 6 _ g 。( r ，+ r g ) r ，7 ：o 4 g - 。f 2 1 1 、 r o p = 2 2 ( 1 4 9 。，+ 月s + r g ) x o p = 16 0 f c l a s 式中，r n r o p ，x o p 为q ，g m 单位为s ，c g s 单位为p f , f 单位为g h z 。因 此，要获得特性良好的低噪声p h e m t ，必须提高截止频率f t ，减小栅源电阻 r s ，r g 。 p h e m t 中，缩短栅长l g 足提高器件性能的关键，正如图2 6 1 “1 所表明的， 缩短栅长不仅r j 以提高器件的电子饱和速度，从而提高截止频率i t 和增益g m ， 减小噪声n f ，也是实现电路低功耗的要求。 2 0 0 1 8 0 2 0 8 0 4 0 岫凝一 t t 。3 0 撩扛 ：；# 一! j _ 、。夕 奠。冬簧t 善 耢 ；麴絮d g t ：! 。： 。； 崔；i v o2 04 0 6 0 8 0 1 0 0 鬻轻 电流f 口江) 图2 6 在不同栅长下g m 与漏极电流的关系洲 2 3 集总元件模型 m m i c 无源元件分为集总元件和分布元件，集总元件包括电路中的集总电感， 电阳，电容，金属半导体谐振器等，分布元件出传输线段构成，这两类元件的选 择决定于m m l c 的工作频率，以及芯件的尺寸及它的电学工艺特性，集总元件 由1 物理尺度小，对于芯片制造是非常有吸收力的。如对于偏压电路，大容值集 总薄膜电容是绝不可少的，在微波低端，由于微带线和短线电感的物理尺寸非常 大，平而电感刈匹配是非常有利的，集总元件可高达2 0 g h z 。 一c|)匕m百j口co。sc锥j上 第二章集j 丘r b 路的器件模型和参数 2 31 电容 微波单片电路中常常用到以下叫种电容结构： 微带块；微带耦合线，交指型电容；m i m 电容和肖特基二极管结电容 ( 1 ) 微带结构 用微带线构成的分布电容特点足电容值很小，有以下- , o e 典型结构。 。 0 - - - 4 。 匕二= = 二二二二二) 一) 微带块平行耦合线 又指电容 图2 7 微带线构成三种电容形式 一般来说，微带线越细，阻抗越高。反之，越宽，阻抗就越小。微带线的 分析一股采用准t e m 模求解电磁场m a x w e l l 方程。对于g a a s 材料相对介电常 数f = 1 2 9 。设汁中根据电路设计时所需阻抗值求出微带线宽度比w h ( w 为导体 宽度，h 为基片厚度) 。 f 2 ) m i mr 黾容 当工作频率低于1 0 0 h z 以下，在m m i c 中可以用m i m 电容，具体结构见 图2 8 。它相当于在上下会属板中白j 填充介质的平行板电容器，近似设计公式【2 8 】： c ：业掣( p t ) ( 2 1 2 ) 其中： d 介质厚度( c m ) a 金属电极面积( c m 2 ) ( w l ) e 介质的相对介电常数，一般用氮化硅( s i 3 n 4 ) 介质，相对介电常数 近似为= 6 5 会捌f ：f 也极 图2 8m i m 电容 每 中国科学技术人学坝 j 半叫立论文第一二章 集成电路的器件模型和参数 另外，m m i c 巾交义布线要用到空气桥或介质桥。空气桥上下金属之间缝 隙厚度一收为2 5 h m ，交叉面也要产生寄生电容： c ：_ c , , c , z - x w( 2 1 3 ) ，厶 ( 3 ) 肖特基二极管结电容 肖特基_ 二极管结电容实际上是将g a a sf e t 源一漏连接，改变栅压，即可改 变栅一源漏间结电容。图2 9 示m 实际肖特基二极管结构。 图2 9 肖特基二极管照片 这种结构最大特点是能与m m i c 工艺兼容，且具有变电容作用，广泛用于电调 滤波器、振荡器等压控电路中。以上几种电容比较见表2 2 。 表2 2 各种电容特性比较 元件值范围 q 值介质材料 应用 耦合缝隙电弈 微带基片输入输出耦合 0 0 0 1 一o 0 5 p f 宽微带线微带基片分布电路匹配 o 0 0 0 1 一o 0 l p f 交指电容5 0 微带基片耦合、匹配 0 0 1 0 5 p f m i m 电容5 0 s i 3 n 4 耦合、匹配 0 1 1 0 0 p f 肖特基二极管电容可调 电容0 1 。5 p f u 调 栅加负压 2 3 2 电感 根据不同的用途，m m i c 中使用的电感形式如图2 1 0 所示。 6 中吲利学拙术人学坝 学位论文箱一章 集成l 乜路的器件模型和参数 f 高阻抗线 微带高阻抗线是很细的微带线，长度小于船4 ，中i i j n 微带线 一画 ( a ) 高阻抗线( b ) 拱形线 ( c ) 螺旋电感 图2 1 0m m i c 电感 与两边两个并联电容组成，计算公式： 上= 嘉跏( 期 b c = 壶t a n ( 期 b 在频率一定时，阻抗z ，越大，电感量越大，实际上微带线越细，它受到工艺条 件限制，一般l i n h 。 ( 2 ) 拱形电感 拱形电感实际上与高阻抗线性质一样，当线长度l 较长，占芯片面积大，又避 免线与线之删交叉，就要用拱形电感结构。 f 3 1 螺旋电感 螺旋电感广泛用于m m i c 中，它可以根据匹配电路参数要求，达到不同的电感 量。金属条带交义部分要用空气桥或介质桥实现，近似计算公式： ：4 7 2 ：( n h ) ( 2 1 6 ) 8 a + l l c 、 式叶 ：n 线圈匝数 一平均半径“：亟 堕 c 平均宽度c 误差5 10 。 d 内径 d ，一d j 采用h p a p p c a d 软件可以直接设计螺旋电感，给定几何设计参数以后就 第二带集j j l ：_ l u 路的群件模型和参数 可以计算出电感量。般电感量 o 5 2 0 n i l 。 实际m m l c 中电阻基本上有两种结构见图2 1 1 。 ( a ) g a a s 台面电阻( b ) 薄膜电阻 圈2 1 1m m i c 电阻 薄膜电阻的材料可以是n i c r 、t a n 等等。一般情况下n i c r 电阻，r 一2 0 5 0 0 9 2 单位面积，f a n 是r 3 0 0 q 币能面积。n i c r 是通过蒸发形成电阻膜，面积根据 实际电阻值人小及芯片尺寸要求，确定电阻薄膜的形状和大小。 第三章低噪声放人器芯片的研制 第三章低噪声放大器芯片的研制 低噪声放大器位于接收机的前端，决定了整个系统的噪声系数，是接收机的 关键部件。为了提高抗干扰能力，接收机的带宽必须尽可能大。其次，接收机中 应用成白上t 的微波器件，数量大，对微波器件的性能、一致性、可靠性都提出 了很高的要求。这些高性能的要求落实到接收机前端的低噪声放大器，就要求单 片低噪声放大器应保证稳定、高增益、幅相一致性好、低输入输出驻波比、低功 耗、宽带殴计等性能指标。下面对低噪声放大器的主要指标作简要介绍。 3 1 低噪声放大器的主要指标 低噪卢放大器都是按照噪声最佳匹配设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益 点，冈此增益要f 降。噪声最佳匹配情况下的增益称相关增益。通常，相关增益 比最大增益大约低2 4 d b 。 噪声系数定义为输入端的信号噪声比与输出端信号噪声比之间的比值，也 可定义为接收机的噪声增益和信号增益的比值”： | v f ：墨! 盟! ! ：型型( 3 1 ) s 。t 。，k y o a f g s s 。，、n 、n 。，表示输入与输出端的信号功率和噪声功率，k t oa f 为输 入端噪声功率。 n 。，= k r o a j g + a n 若将放人器本身引入的附加噪声a 表示为 a n = t 6 f g 式中的t 称为放火器的等效噪声温度，则 触一l + ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 中l 司科学技术人学mi 。学位论文第三章低噪声放大器芯 的 9 制 疋= ( f 1 ) 瓦 ( 3 5 ) 放大器噪声最低时，输入端口不是共轭匹配，而是有一定的失配。其物理 意义可如下解释： 刈十m e s i ? e t 来说，其内部噪声来源包括热噪声、闪烁噪声和沟道噪声。这 几类噪声是相互影响的，综合结果可归纳为本征f e t 栅极端口的栅极感应噪声 和漏极端口的漏极噪声两个等效噪声源。这两个等效噪声源也是相关的，如果 f e t 输入口有一定失配，这样就可以调整感应噪声和漏极噪声之间的相位关系， 使它们在输出端口相互抵消，从而降低了噪声系数。 为获得最小的f e t 本征噪声，从f e t 输入口向信源方向视入的反射系数有 个最佳值，用厂，表示。当r ，= i 时，放大器达到最小噪声系数，m ，。 当匹配状念偏离最佳时，放大器噪声系数增大，可用下式表示 卟m + 。惫高 c se ， 式中。最小噪声系数 尺n _ 一微波f e t 的等效噪声电阻 氐一微波系统阻抗，通常为5 0q ，一最佳信源反别系数 最佳信源反射系数是复数，即 r + t = 下。l e 舟” ( 3 7 ) 这四个参数等效噪声参数取决于微波场效应晶体管的材料、结构和工艺， 可以根掘物理模型结构刚理论计算获得，也可用仪表测量。 根据分析，当出现噪声失配时，若要维持增大后的，为一个固定值，r 在 史密斯网图上的轨迹将是个圆，称为等噪声圆。 把式( 3 1 6 ) 移相化简，得到 写掣：争( 。) ， 2 c 。s ) l 一川1 4r 。 ”14 ”1 第二幸低嵊声放大器芯j 的研制 令 爿= 鲁( _ _ ，m ) 卜。， 2 ( 39 ) 上式中，f r 。、r 。、n ，m 。都是定值，若要维持n ，不变，则a 也不变，因 此有! 、二! ! ! ：i ：爿：常数，r 、的轨迹将是一4 i 更1 。圆心c ，和半径。为： 1 一i r 、i ” l + 爿 圹禹j + 掣 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 当多级放大器相连时，噪声系数与噪声温度用下式计算： f = 一+ 击( n f 2 1 ) 十g l 壶( n f 3 一) + ( 3 t 2 ) l 霸+ 击t ：+ 雨l ( 3 1 3 ) 微波场效应管内存在内部反馈，微波管的s 。：就表示内部反馈量。反馈量达 到定强度时，将会引起放大器稳定性变坏，甚至产生自激震荡。微波管的s ：。 代表电压波的l f 向传输系数，也就是放大倍数。s ，越大，则放大以