成都嘉纳海威科技有限责任公司 吕继平 钟 丹 王测天 邬海峰

5G通信系统具有更高的信息传输容量和速度，因此具有广阔的市场应用前景。但是由于5G通信系统采用了部分sub-6GHz以下的通信频段，导致频段利用更加拥挤，采用合理的通信系统和传输协议是高效利用频谱资源的关键。为了高效地利用有限的频谱资源，需要显著提高通信系统的线性度和动态范围等指标。作为5G通信系统中射频前端的关键器件，低噪声放大器位于天线之后，是接收系统中的第一个有源器件，因此其噪声系数决定着整个系统的噪声优劣，其增益将决定对后级电路的噪声抑制程度，其线性度对整个系统的动态范围产生重要的影响。然而，当前传统射频与微波低噪声放大器芯片设计中，一直存在一些设计难题，主要体现在：低功耗、高增益、低噪声放大指标相互制约以及低功耗和高线性度指标相互制约。目前，国内外对宽带低噪声放大器暂不具备放大器关断（Power down-PD）功能，无法满足TDD系统的特殊需求。

为了满足5G无线通信系统在0.4～3GHz频段的应用，实现宽带、高线性度、低噪声的指标，本文基于Cascode结构设计了一款具备Power down功能的0.4～3GHz的低噪声、高线性度放大器。实测结果显示，在5V工作电压下，芯片直流功耗为60mA，放大器带内增益≥18dB，输入、输出回波损＜-12dB，噪声系数＜0.8dB，输出1dB压缩点≥21.5dBm，输出三阶截点≥32dBm。

1 电路设计

图1为本文提出的高线性度低噪声放大器的电路原理图。基于0.25μm GaAs pHEMT工艺，晶体管M1和M2构成Cascode结构（共源共栅），共源晶体管M1和共栅晶体管M2的栅宽分别为3×75μm和3×120μm。同传统共源放大器相比，Cascode结构提升了放大器的增益、输入输出隔离度，同时，Cascode结构中的共源放大器对芯片性能的影响占主导作用，工作在低漏极电压状态下，噪声系数得到了改善。为了进一步改善放大器噪声系数，共源级电路使用源极串联电感负反馈结构来增加输入阻抗并实现噪声匹配。整个放大器芯片采用有源偏置结构，可以提高放大器温度稳定性。本电路的共源极共栅极电路均使用了RC并联负反馈结构，来调节输入输出匹配，并扩展带宽，改善稳定性能；电容C2和电阻R2为输出端到共栅管M2栅极的负反馈电路，能够改善电路稳定性，调节增益并改善线性度性能。放大器Power down功能电路中，当PD端输入低电平时，晶体管M4关断，此时晶体管M2栅极为高电平，源漏导通，放大器有射频输出；当PD端输入高电平时，晶体管M4源漏导通，此时晶体管M2栅极为低电平，源漏关断，放大器无射频输出。

图1 低噪声放大器电路原理图

2 实验结果

本电路芯片版图调试优化后进行了流片加工，芯片照片如图2所示，尺寸为0.72×0.62mm2。在VDD采用5V工作电压时，放大器静态电流为60mA。利用矢量网络分析仪和电源测试芯片性能指标，测试结果如图3所示。在0.4～3GHz工作频段内，放大器芯片增益大于等于18dB，具有一定正斜率，输入、输出回波损耗优于-12dB，噪声系数在工作频段内最大值为0.8dB，放大器的输出1dB压缩点在工作频段内大于等于21.5dBm，输出三阶截点OIP3大于32dBm。

图2 宽带低噪声放大器的芯片照片

图3 S参数及线性度测结果

结论：本文基于0.25μm GaAs pHEMT工艺，采用Cascode结构作为放大级，研制了一款工作在0.4～3GHz具备Power down功能的高线性度低噪声放大器，芯片尺寸为0.72×0.62mm2。芯片实测结果显示，在5V工作电压和60mA静态电流条件下，放大器带内增益≥18dB，输入、输出回波损耗优于-12dB，噪声系数小于0.8dB，输出1dB压缩点优于21.5dBm，输出三阶截点优于32dBm。该高线性度低噪声放大器射频性能可以满足5G无线通信系统TDD射频前端的应用需求。