【社区大讲堂】微波单片集成电路-PA

随心

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应美女版主邀请，重出江湖，呈上拙作一篇。继续上次的话题微波单片集成电路简介，这次谈一谈MMIC PA 的设计。

      PA作为通信系统中关键的的元器件，向来都是模拟工程师必争之地。MMIC PA之所以被如此重视一方面是因为它是TR组件中必不可少的元件，另一方面因为它工作在大信号状态下，电特性比较复杂，设计流程以及需要考虑的方面很多，增加了设计难度，就各种MMIC电路来说，PA应该是属于设计难度最大，也是最贵的（东西有贵贱之分，难度大了、贵了，同时还是必不可少，当然就被重视了）。下面谈谈自己对PA的理解以及设计方法（进入正题）

       PA也好，LNA也罢，都是利用直流电的消耗来实现微波信号的放大。实现放大的主要器件就是三端口器件，我们习惯以有源器件来划分工艺类型。MMIC PA采用的工艺

       1、HBT工艺，HBT具有高的功率密度及高效率和线性特性。

        2、pHEMT工艺，通常用于比较高的频率。工艺类型选择通常都是根据应用要求和成本方面的考虑。

qushaobo

微波的LNA用过PA没用过,真正用微波理论去设计LNA没试过.都是抄的,这东西有点难.

随心

电路要做精还是需要花很大功夫的，接下来和大家聊一聊设计过程

随心

1、        综合设计指标和工艺条件，选择工艺类型。工艺类型包括衬底厚度，有源器件类型以及使用的无源器件。设计指标中明确给出了电路的工作频率以及增益等，根据这些要求，结合能采用的工艺，确定使用的工艺。下面就以确定了GaAs pHMET工艺为例进一步说明；


2、        分析器件特性，确定pHEMT器件尺寸和电路拓扑结构。明确了工艺类型之后，接下来我们应选择合适的器件以及电路拓扑结构。考察该工艺下不同尺寸的pHEMT器件的直流和交流特性，判断电路中使用的器件大小，确定器件的偏置条件，规划电路拓扑结构：电路采用两级还是三级放大结构，各级电路的“分工”（比如从电路增益及输出功率的指标，我们就需要规划每级电路增益和输出功率各需要达到多少，输出级电路是否需要功率合成结构等等）；
前两步相当于是构建整个电路的蓝图，下面开始填砖盖瓦。

3、        分析pHEMT器件的稳定性。上面已经确定了使用的器件和放大器的拓扑结构，接下来对pHEMT器件进一步分析。采用foundry提供的模型，通过仿真工具，分析器件的稳定性，搭建器件的稳定电路结构，保证器件在整个频带内稳定工作，到这里我们把稳定电路和pHEMT部分看作为一个cell；


4、        搭建匹配电路。通过仿真工具确定整个cell部分的输入输出阻抗，根据前面分析的结果，搭建各级电路的输入输出电路，匹配结构对电路性能影响不言而喻，匹配电路的选择决定了电路性能的优劣，对单级电路匹配。各级电路符合指标之后，把各级电路级联起来，优化电路性能，确保整体电路性能符合指标要求。对各部分电路以及整个电路的设计及优化都是先进行小信号分析然后考虑大信号，小信号相当于给电路设计确定了一个基调，仔细琢磨的是大信号分析，大信号这块需要进行大量的分析；


5、        搭建偏置电路。偏置电路即加载直流的电路，这部分电路的基本作用是保证电路的去耦效果，通俗的说就是别让射频信号泄露出去，当然它的作用不止这么一点。好的偏置电路是一个电路正常工作的必要保障；


6、        稳定性分析。考察各级电路以及整个电路的稳定性，保证电路绝对稳定（小信号和大信号工作状态下），如果一个放大器开始振荡了，那它就什么都不是了，（可以称之为不是个“东西”）所以这部分的工作尤其重要。这部分的是和第4步、第5步同时进行的，为了表示它的重要性，专门拉出一条谈一谈；


7、        容差分析。工艺加工过程往往有一定的偏差，不能保证100％的一致性，在设计电路时就要确保电路的容差，保证电路在一定容差范围内正常工作；


8、        绘制版图。确定电路各方面指标符合要求之后，接下来绘制电路版图，版图部分对电路性能影响也很大，布版过程中，应尽量避免元件间的电磁耦合；如果对电路设计过程熟悉的话，画电路的过程中就会综合考虑布版时的情况，对于经验比较少的设计人员，画版时还需要调整一下电路结构，保证版图效果，同时考虑一下视觉效果（最好看起来养眼，实用又美观，何乐而不为呢）。


9、        后仿。画好版图后，该对版图进行后仿了。很多软件都有版图仿真功能，通过这部分的工作验证是否跟电路设计相吻合，如果有偏差的话就需要重复回到之前的工作进行修正。如果后仿结果与电路仿真相符，满足指标要求，送到foundry去加工，然后烧柱高香等结果出来吧^_^。


10、        测试及调试。对于新手工程师来说，很少有MMIC芯片会一次流片成功，尽管MMIC芯片调试的范围很小，但我们在设计版图时，可以在一些关键部位留出一些可以调试的器件（例如在一些关键的部位利用空气桥压出一段微带，测试过程中我们就可以通过挑断空气桥来进行一定的调试）。调试的部分可以作为下次设计的依据，方便改版。到这里一次MMIC设计周期就结束了，如果测试结果不符合要求的话，就需要继续修正设计，从前面第3步开始。到此就神功练成了。

[ 本帖最后由 随心 于 2009-12-21 15:37 编辑 ]

随心

上面逐一介绍了每个流程，非线性分析（即大信号分析）和稳定性分析是整个电路分析的重点，得益于目前强大的仿真软件，这部分的工作方便了很多，可以利用ADS、Microwave等仿真工具详细的分析电路的状况，并进行优化。匹配和版图布线是基础知识和艺术的结晶，匹配中需要很多技巧。偏置电路部分是大家经常容易忽略的一块（听名字好像是从属部分，不重要似的），做过电路的就知道，这块带来的影响很大。聊到这里，这次就到此为止吧，前段时间项目比较紧，见谅！

[ 本帖最后由 随心 于 2009-12-21 15:36 编辑 ]

chuchuda

qushaobo 发表于 2009-12-1 10:39
微波的LNA用过PA没用过,真正用微波理论去设计LNA没试过.都是抄的,这东西有点难.

要用仪器一点一点的调！