0.1～4 GHz達(dá)林頓－共射共基結(jié)構(gòu)的增益模塊?

丁華鋒，嚴(yán)維敏，王鐘，胡善文，高懷

0.1～4 GHz達(dá)林頓－共射共基結(jié)構(gòu)的增益模塊?

丁華鋒1，嚴(yán)維敏2，王鐘3，胡善文4，高懷4

（1.東南大學(xué)蘇州研究院高頻高功率器件與集成技術(shù)研究中心，江蘇蘇州215123；2.蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州215325；3.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程系聲學(xué)研究所，南京210093；4.東南大學(xué)國家ASIC系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，南京210096）

提出了一種新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的增益模塊，該增益模塊為達(dá)林頓－共射共基結(jié)構(gòu)，對其工作原理進(jìn)行了分析?；贏WR Microwave Office軟件的仿真結(jié)果表明：達(dá)林頓晶體管共射放大電路具有較強(qiáng)的電流放大能力，能有效提高增益；共基放大電路能抑制電路密勒效應(yīng)，改善電路高頻響應(yīng)。設(shè)計了增益模塊的版圖，用2μm InGaP／GaAs HBT工藝成功流片，測試結(jié)果表明：在0.1～4 GHz頻率范圍內(nèi)，該增益模塊最大增益為25 dB，最小增益大于13.5 dB，在900 MHz工作頻率時，該增益模塊的P1dB為20 dBm。

發(fā)射機(jī)；達(dá)林頓結(jié)構(gòu)；共射共基；負(fù)反饋；放大器；增益模塊

1 引言

增益模塊是無線通信收發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分，其性能優(yōu)劣對整個發(fā)射機(jī)系統(tǒng)性能來說有重大影響。隨著第三代移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，提高增益模塊的增益已成為無線通信中一個極為重要的課題，也是近年來國內(nèi)外研究的一個重點和熱點。目前，增益模塊有兩種常用的電路結(jié)構(gòu)：達(dá)林頓結(jié)構(gòu)、共射共基結(jié)構(gòu)。達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的增益模塊采用達(dá)林頓晶體管代替單管組成共射級負(fù)反饋放大器形式，利用達(dá)林頓晶體管電流放大倍數(shù)大的特點，易獲得高增益，但是密勒效應(yīng)使其高頻特性不理想。共射共基結(jié)構(gòu)的增益模塊采用共射共基負(fù)反饋放大器形式，能有效改善電路的高頻特性，但是由于電流放大能力有限，導(dǎo)致增益偏小。

本文采用達(dá)林頓－共射共基的復(fù)合結(jié)構(gòu)來設(shè)計增益模塊。電路的前級采用達(dá)林頓晶體管構(gòu)成共射放大電路，來獲得較大的電流放大與電壓放大；在共射放大電路后面再接上共基放大電路，又獲得共基放大電路較好的高頻特性。因此，該增益模塊具有增益高且高頻特性好的優(yōu)點。

2 增益模塊的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

常用的單級放大電路有共發(fā)射極、共基極、共集電極3種結(jié)構(gòu)。在實際應(yīng)用中，為進(jìn)一步改善放大電路的性能，以基本的單極放大電路為基礎(chǔ)，派生出了達(dá)林頓、共射共基電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示［1］。

達(dá)林頓晶體管也稱為復(fù)合晶體管，可采用兩種類型相同（或相異）的晶體管構(gòu)成，復(fù)合以后的類型取決于第一個晶體管的類型［1］。達(dá)林頓晶體管可代替單管組成共發(fā)射極、共集電極、共基極組態(tài)的放大器。由圖1（a）可得出其等效參數(shù)。

電流放大系數(shù)：

基極－發(fā)射極電阻：

式中，β1、β2分別為晶體管Q1、Q2的電流放大系數(shù)，rbe1、rbe2分別為晶體管Q1、Q2的基極－發(fā)射極電阻。

由式（1）可知，達(dá)林頓晶體管的等效電流放大系數(shù)約為兩晶體管電流放大系數(shù)之積，相比普通的共射極放大電路，能顯著提高電流放大能力。同時，由式（2）可知達(dá)林頓晶體管的輸入電阻增大了約（1＋ β1）倍。由于達(dá)林頓晶體管等效電流放大系數(shù)大、等效輸入阻抗高，因此常用于增益模塊的設(shè)計。Q1發(fā)射極可接一個定值電阻Re1，用于調(diào)整晶體管Q2的靜態(tài)工作點，該發(fā)射極電阻也可采用電流源代替。一個典型的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的增益模塊電路結(jié)構(gòu)如圖2所示［2］。

共發(fā)射極放大電路同時具備電流與電壓放大能力，且輸入電阻適中、輸出電阻較大、頻帶較窄，常用于低頻電壓放大電路［1］。共基極放大電路只能放大電壓不能放大電流，但在3種基本放大電路中具有最好的頻響特性［1］。

共發(fā)射極放大電路與共基極放大電路級聯(lián)后，可構(gòu)成共射共基電路結(jié)構(gòu)，極大地降低了集電結(jié)電容Cbc的密勒效應(yīng)對帶寬的影響。因此，其頻率響應(yīng)特性優(yōu)于共射極放大電路，可用于擴(kuò)展帶寬。共射共基電路結(jié)構(gòu)既保持了共發(fā)射極放大電路電壓放大能力強(qiáng)的特性，又具有共基極放大電路頻帶寬的優(yōu)點，較適用于增益模塊的設(shè)計。一個典型的共射共基結(jié)構(gòu)的增益模塊電路如圖3所示［3］。

3 達(dá)林頓－共射共基增益模塊

常見增益模塊的增益一般都在15 dB左右［2～5］，本文提出了一種新型的寬帶增益模塊，其小信號增益最高可達(dá)25 dB，在0.1～4 GHz工作頻率范圍內(nèi)保持在13.5 dB以上。該新型放大器結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中Q1發(fā)射極的輸出電流用于驅(qū)動Q2基極，構(gòu)成了達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。此外，Q2與Q3構(gòu)成共射共基輸出級，將信號放大后輸出到負(fù)載，因此整個電路采用了達(dá)林頓與共射共基復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時具備了兩種電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。

通過調(diào)整圖4所示的電阻Rb1與Rb2，可使該電路的輸入輸出阻抗均接近于50Ω，可適用于寬帶應(yīng)用。此外，無需增加額外的匹配電路，可減小由匹配電路帶來的帶寬與增益損失。在高增益運用時，可采用多組直接級聯(lián)，使用較為簡單。

電阻Re為晶體管Q1的發(fā)射極跟隨電阻，具有負(fù)反饋作用，提高了Q1靜態(tài)工作點的穩(wěn)定性。同時，該結(jié)構(gòu)減小了晶體管Q1的Miller電容對電路帶寬的影響，從而改善了電路的高頻性能。

4 仿真分析

本設(shè)計采用宏捷科技（AWSC）發(fā)射結(jié)面積為2μm×20μm的InGaP／GaAs HBT工藝，并基于AWR Microwave Office軟件對該增益模塊電路進(jìn)行了仿真。該放大器采用7 V電源偏置，工作在A類狀態(tài)，其仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

該增益模塊的小信號S參數(shù)仿真曲線如圖5所示。由圖可知，該增益模塊在0.1～4 GHz的工作帶寬內(nèi)，小信號增益S21最高可達(dá)27.4 dB，900 MHz工作頻率時的增益為26 dB，并在整個帶寬范圍內(nèi)保持13 dB以上；輸入反射系數(shù)S11保持在－10 dB以下；輸出反射系數(shù)S22保持在－7 dB以下。實際使用時，可根據(jù)具體頻段的應(yīng)用，調(diào)整片外電容Cin、Cout及電感L，使該增益模塊能夠適用于0.1～4 GHz范圍內(nèi)的各種應(yīng)用頻段。

該增益模塊在900 MHz工作頻率處增益（PGain）、輸出功率（Pcomp）、功率附加效率（PAE）隨輸入功率變化的特性曲線如圖6所示。從圖中可以看出，該增益模塊在900 MHz頻率處的P1dB為21.5 dBm，對應(yīng)的PAE為38%。

5 測試驗證

本設(shè)計基于2μm InGaP／GaAs HBT工藝成功流片，該工藝晶體管電流增益β＝80，特征頻率fT＝29.5 GHz，單位功率增益頻率fMAX＝42 GHz。芯片照片如圖7所示，面積為0.5 mm×0.53 mm。

測量時，該增益模塊芯片貼裝在測試基板（PCB板）上，用K連接器連接增益模塊的輸入輸出信號，采用7 V電源偏置，測試結(jié)果如圖8所示。由圖可知，該增益模塊在0.1～4 GHz工作頻率范圍內(nèi)，S21保持13.5 dB以上，S11保持在－10 dB以下，S22保持在－7 dB以下。

在900 MHz的工作頻率下，測得該增益模塊的功率增益PGain、輸出功率Pcomp隨輸入功率的變化曲線如圖9所示。由圖可知，該增益模塊的P1dB為20 dBm，與圖6仿真結(jié)果約降低1.5 dBm，趨勢完全吻合。

該增益模塊的P1dB隨頻率變化曲線如圖10所示。由圖可知，該增益模塊在0.1～1.5 GHz時P1dB約為20 dBm，在4 GHz頻率點P1dB約為11 dBm。

表1將本設(shè)計與市場上現(xiàn)有同類產(chǎn)品作了簡單的比較。從表中可以看出，本文設(shè)計的增益模塊其增益與輸出功率都具有明顯優(yōu)勢。

6 結(jié)論

本文以傳統(tǒng)的增益模塊電路結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以在不顯著損害其它性能條件下提高增益模塊的增益為目標(biāo)，提出了一種適用于增益模塊的新型電路結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用達(dá)林頓－共射共基復(fù)合結(jié)構(gòu)，保持了達(dá)林頓共射放大電路電流電壓放大系數(shù)大的特點，實現(xiàn)了較高的增益。利用該結(jié)構(gòu)中共基放大電路減小密勒電容的作用，獲得了較好的高頻特性，提高了電路的頻率適用范圍。

［1］Paul R Gray，Paul J Hurst，Stephen H Lewis，et al.Analysis and Design of Analog Integrated Circuits［M］.4th ed.Beijing：Higher Education Press，2003：202－208，174－183.

［2］Peter J Topham，Adrian P Long，Peter H Saul，et al.A Broad－Band Amplifier Using GaAs／GaAlAs Heterojunction Bipolar Transistors［J］.IEEE Journal of Solid－State Circuits，1989，24（3）：686－689.

［3］Mark Rodwell，Jensen J F，Stanchina W E，et al.33 GHz Monolithic Cascode AlInAs／GaInAs Heterojunction Bipolar Transistor Feedback Amplifier［J］.Journal of Solid－State Circuits，1991，26（10）：1378－1382.

［4］Heng－Tung Hsu，Chia－Yuan Chang，Edward Yi Chang，et al.High Performance InAs－Channel HEMT for Low Voltage Milimeter Wave Applications［C］／／Proceedings of Asia－Pacific Microwave Conference.Bangkok：［s.n.］，2007：1－4.

［5］Mohd Fairuz Zakaria，Burhanuddin Yeop Majlis.1－3 GHz MMIC Amplifier Design for Transmit／Receive Applications［C］／／Proceedings of IEEE International Conference on Semiconductor Electronics.Malaysia：IEEE，2000：113－115.

DING Hua－feng was born in Jingmen，Hubei Province，in 1986.He is now a graduate student at Southeast University.His research direction is MMIC design.

Email：zixuan19861002＠126.com

嚴(yán)維敏（1961－），男，江蘇蘇州人，蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電系講師，主要從事半導(dǎo)體器件方面的研究；

YAN Wei－min was born in Suzhou，Jiangsu Province，in 1961.He is now a lecturer at Soochow University.His research concerns semiconductor devices.

王鐘（1985－），男，浙江紹興人，博士研究生，主要研究方向為單片微波集成電路設(shè)計；

WANG Zhong was born in Shaoxing，Zhejiang Province，in 1985.He is currently working toward the Ph.D.degree at Nanjing University.His research direction is MMIC design.

胡善文（1985－），男，安徽安慶人，博士研究生，主要研究方向為單片微波集成電路設(shè)計；

HU Shan－wen was born in Anqing，Anhui Province，in 1985.He is currently working toward the Ph.D.degree at Southeast University.His research direction is MMIC design.

高懷（1961－），男，江蘇蘇州人，東南大學(xué)博士生導(dǎo)師，IEEE高級會員，研究方向為高頻高功率器件及單片微波集成電路設(shè)計。

GAO Huai was born in Suzhou，Jiangsu Province，in 1961. He is now an IEEE senior member and also the Ph.D supervisor at Southeast University.His research interests include the high frequency and high power devices and MMIC design.

A 0.1～4 GHz Darlington-Cascode Broadband Gain Block

DING Hua-feng1，YAN Wei-min2，WANG Zhong3，HU Shan-wen4，GAO Huai4
（1.High Frequency＆High Power Device and Integrated Technology Research Center，Research Institute of Southeast University at Suzhou，Suzhou 215123，China；2.Department of Mechanical＆Electrical Engineering，Applied Technical College of Soochow University，Suzhou 215325，China；3.Institution of Acoustics，Department of Electronic Science and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210093，China；4.National ASIC System Engineering Research Center，Southeast University，Nanjing 210096，China）

A novel Darlington-Cascode structure gain block is designed and its operation principle is analysed.The simulation results based on AWR Microwave Office show that this structure can achieve a gain expansion for its strong ability of amplifing current，and it can improve the high frequency response with an effective suppression of Miller effect.A gain block with this Darlington-Cascode structure is designed and fabricated based on 2μm In-GaP／GaAs HBT technology.The measurement results show that over 0.1～4 GHz，its power gain can reach up to 25 dB and the minimum power gain is more than 13.5 dB.At 900 MHz operation frequency，its P1dBis 20 dBm.

transmitter；Darlington structure；cascode；negative feedback；amplifier；gain block

TN721.1

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2010.11.017

丁華鋒（1986－），男，湖北荊門人，碩士研究生，主要研究方向為單片微波集成電路設(shè)計；

1001－893X（2010）11－0080－05

2010－07－15；

2010－09－17