一款高三階交調(diào)點(diǎn)的GaAs射頻放大器

隨著社會(huì)的發(fā)展，5G 通信快速發(fā)展并運(yùn)用在各個(gè)社會(huì)領(lǐng)域當(dāng)中。網(wǎng)絡(luò)直播，遠(yuǎn)程醫(yī)療，遠(yuǎn)程操控，物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域都有了日新月異的發(fā)展。與之前的4G 通信相比，載波寬帶從20 MHz 提高到了如今的100 MHz。這使得數(shù)據(jù)的傳輸速率更快，網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間成倍減少^[1]。在日常生活對(duì)互聯(lián)網(wǎng)通信的要求越來(lái)越大的今天，網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)成為了，人們生活中接觸最頻繁并且最重要的組成部分。衡量人民生活幸福質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段針對(duì)5G 通信，通常采用高功率增益，高線性度的寬帶放大器對(duì)前級(jí)信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大處理。高線性度代表著在輸入功率提高時(shí)，整個(gè)通信系統(tǒng)有更少的非線性失真。

本文采用2 μm GaAs HBT 工藝，設(shè)計(jì)了一款可工作在10 MHz~4 GHz 頻率下的高線性度高增益放大器。實(shí)際測(cè)試放大器的輸出三階交調(diào)截止點(diǎn)大于40 dBm。并且可以滿足器件的功率增益大于20 dB，輸出1 dB 壓縮點(diǎn)大于20 dBm。器件測(cè)試參數(shù)結(jié)果滿足5G 通信要求，可應(yīng)用于手機(jī)基站、無(wú)線圖像傳輸?shù)韧ㄐ畔到y(tǒng)當(dāng)中。

1 理論分析與電路設(shè)計(jì)

1.1 電路結(jié)構(gòu)

異質(zhì)結(jié)晶體管 (Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)。在目前主流的砷化鎵材料器件中，HBT 因具有很強(qiáng)的電流放大能力，從而被越來(lái)越多應(yīng)用到放大器的設(shè)計(jì)當(dāng)中。HBT 的集電極（C）、基極（B）、發(fā)射極（E）使用不同材料制成，所以被稱(chēng)做異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件。使用了更薄的基極材料HBT 的晶體管禁帶更寬，發(fā)射極的注入效率提高，所以使晶體管的截止頻率變大，功率增益更高。晶體管的電流是垂直走向，所以具有很高的電流密度，因?yàn)镠BT 具備的這些特點(diǎn)，所以本文選擇采用HBT 工藝對(duì)放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

達(dá)林頓結(jié)構(gòu)是一個(gè)將晶體管串接起來(lái)的結(jié)構(gòu)。將第1 個(gè)晶體管的發(fā)射極接到第2 個(gè)晶體管的基極，集電極相互連接。這樣的鏈接結(jié)構(gòu)可以提高放大器增益的晶體管結(jié)構(gòu)。如圖1 所示，Q1，Q2 晶體管組成了一個(gè)共集-共射結(jié)構(gòu)，這就是一個(gè)簡(jiǎn)單的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)^[2]。與典型的單管放大結(jié)構(gòu)相比，加入了晶體管Q1，可以提高電流增益并且增大輸入阻抗。

與典型的放大結(jié)構(gòu)相比，達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有：輸入阻抗高；帶寬較大，成本低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不需要復(fù)雜匹配，面積小。按照?qǐng)D1 所連接的情況，該結(jié)構(gòu)總的電流增益為是^[3]：

   (1)

這使得達(dá)林頓結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的電流放大能力，較高的功率增益，并且有良好的增益平坦度。利用這個(gè)特性我們可以用這個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)高增益高線性度的放大器。所以本文選擇以達(dá)林頓結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化后對(duì)此款放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 電路設(shè)計(jì)

對(duì)于寬帶放大器而言，線性度是一個(gè)可以評(píng)價(jià)性能的重要參數(shù)指標(biāo)。在設(shè)計(jì)放大器時(shí)使用的晶體管是非線性的，當(dāng)在小信號(hào)情況下，晶體管的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)呈現(xiàn)線性的關(guān)系，此時(shí)可以忽略放大器的非線性。但當(dāng)輸入信號(hào)功率變大或者信號(hào)頻率增加的時(shí)候，輸出信號(hào)的非線性會(huì)表現(xiàn)的很明顯。其中主要包括增益降低，諧波失真，交調(diào)失真等非線性情況。

當(dāng)有兩個(gè)頻率接近的信號(hào)輸入時(shí)，我們可以將信號(hào)表示為下面的式子：

v(t) = A₁cosω₁+A₂cosω₂   (2)

把輸入信號(hào)代入公式，用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)后近似可以得到輸出端的信號(hào)式子，在此種情況下除了會(huì)有ω₁、ω₂頻率分量以外，還有直流分量，與頻率（2ω₁±ω₂）和（2ω₂±ω₁）相關(guān)的諧波分量，展開(kāi)式子后，其中包括：

A₁²A₂a₃cos(2ω₁-ω₂)t+A₁A₂²a₃cos (2ω₂-ω₁)t   (3)

在式（3）的分量中可以存與頻率ω₁、ω₂相關(guān)的頻率分量。當(dāng)ω₁與ω₂接近的情況下，2ω₁-ω₂和2ω₂-ω₁是與主信號(hào)頻率（ω₁、ω₂）接近的兩個(gè)信號(hào)頻率^[4]。因?yàn)檫^(guò)于接近，所以這兩個(gè)新產(chǎn)生的交調(diào)量難以濾除。這一個(gè)三階交調(diào)分量是對(duì)放大器性能的主要干擾，為了衡量這一個(gè)指標(biāo)，采用輸出三階交調(diào)點(diǎn)（Output thirdorder Intercept Point, OIP₃）指標(biāo)來(lái)表示三階交調(diào)分量對(duì)信號(hào)的干擾程度。圖2 是三階交調(diào)截止點(diǎn)的示意圖，三階交調(diào)信號(hào)線的斜率更大，隨著輸入功率的增加，它上升的更快。將兩條線虛擬延伸，得到一個(gè)交點(diǎn)，此時(shí)的輸出功率與三階交調(diào)的輸出功率相等，把這兩根線條的交點(diǎn)叫做輸出三階交調(diào)截止點(diǎn)。

1.3 仿真設(shè)計(jì)

為了提高放大器的線性度，設(shè)計(jì)時(shí)在前文介紹的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了偏置結(jié)構(gòu)。晶體管Q₁與電阻R₁，R₂，R₃組成的偏置結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定電路的直流偏置點(diǎn)，提高電路的線性度。同時(shí)可以使得電路在高溫和低溫狀態(tài)下的工作性能可以盡量與常溫狀態(tài)下保持一致。Q₂與Q₃，Q₄~Q₉晶體管組成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。因?yàn)楣β瘦^高第二級(jí)晶體管上需要通過(guò)較大的電流，所以在設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了并聯(lián)晶體管的方式，降低了每個(gè)晶體管上通過(guò)的電流，降低可能因?yàn)殡娏鬟^(guò)大的產(chǎn)生的熱效應(yīng)，提高晶體管的耐功率裕度，并且并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以降低電路的噪聲系數(shù)。電阻R₆~R₁₃在晶體管的發(fā)射極連接到地電位，起到負(fù)反饋的作用^[5]。電路基本結(jié)構(gòu)原理圖如圖3 所示。

Q₂，Q₃晶體管的尺寸選擇1.9 μm×8 μm, Q₄~Q₉的尺寸原則為2 μm×10 μm。因?yàn)榈诙?jí)晶體管為并聯(lián)，所以面積大約是第一級(jí)放大器的3.9 倍^[6]。Q₁ 的尺寸選擇1.6 μm×6 μm，從仿真過(guò)程中看，減小面積可以提高放大器的線性度。并且它的基級(jí)與第二級(jí)晶體管基級(jí)相連，保證了溫度變化下的直流特性。在繪制版圖時(shí)合理布局最終得到的芯片尺寸為0.56 mm×0.61 mm。

2 測(cè)試與驗(yàn)證分析

電路采用SOT89 塑封封裝管殼，應(yīng)用驗(yàn)證板如圖4。測(cè)試條件為電源電壓V_CC=5 V。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)電路進(jìn)行三階交調(diào)截止點(diǎn)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，三階交調(diào)點(diǎn)測(cè)試曲線如圖5。器件的工作頻率為10 MHz~4 GHz。在輸入信號(hào)100 MHz ~1 GHz 范圍內(nèi)，輸出三階交調(diào)點(diǎn)超過(guò)40 dBm。且能夠保證功率增益達(dá)到20 dB，且增益曲線平坦，輸出1 dB 壓縮點(diǎn)達(dá)到21 dBm，電路在大功率輸入情況下也擁有較好的線性度。測(cè)試結(jié)果表明實(shí)際測(cè)試與仿真結(jié)果基本一致，電路實(shí)現(xiàn)了高三階交調(diào)點(diǎn)。說(shuō)明本文中采用的以達(dá)林頓結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，添加偏置結(jié)構(gòu)對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化的方法可行有效。

圖4 測(cè)試驗(yàn)證板

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于達(dá)林頓晶體管放大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款高增益高三階交調(diào)點(diǎn)的射頻放大器。使用2 μm GaAs HBT 工藝流片設(shè)計(jì)，對(duì)晶體管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了工作帶寬，利用HBT 晶體管搭建的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)抑制了三階諧波分量，提高了OIP₃ 參數(shù)，輸出三階交調(diào)點(diǎn)40 dBm，提升了電路的線性度。此時(shí)功率增益達(dá)到20 dB，且增益曲線平坦，輸出1 dB 壓縮點(diǎn)達(dá)到21 dBm。電路滿足5G通信使用頻率并具有高增益，高線性度的特點(diǎn)，可用于通信收發(fā)鏈路當(dāng)中，具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。

圖5 三階交調(diào)點(diǎn)測(cè)試曲線

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）