一種輸出匹配可調(diào)的、高線性度寬帶功率放大器*

陳昌麟，張萬榮*，趙飛義，卓匯涵，白 楊，江之韻，胡瑞心，陳 亮

(1．北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124;2．泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，山東泰安271000)

CHEN Changlin1，ZHANGWanrong1* ，ZHAO Feiyi1，ZHUO Huihan1，BAI Yang1，JIANGZhiyun1，HU Ruixin1，CHEN Liang2

(1．College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;2．College of physics and Electronic Engineering，Taishan University，Tai’an Shandong 271000，China)

近年來，隨著無線通信技術(shù)朝著寬頻帶方向發(fā)展，人們對寬帶功率放大器的設(shè)計提出了越來越嚴(yán)格的要求。功率放大器的線性度作為衡量電路輸出與輸入信號線性關(guān)系的物理量，人們希望所設(shè)計的功放電路擁有更高的線性輸出功率，使其獲得更大的動態(tài)范圍［1－2］。但是，寬帶功率放大器由于普遍受其自身直流工作點隨輸入功率變化而漂移的影響［3－5］，線性度參數(shù)被退化。此外，傳統(tǒng)寬帶功率放大器通常使用無源螺旋電感參與輸出匹配，但當(dāng)功放電路結(jié)構(gòu)以及參數(shù)確定后，電路輸出匹配值則不能再被調(diào)諧。然而，電路由于工藝偏差、封裝寄生等因素，其輸出匹配值會不可避免地退化，所以人們通常希望在電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定后，仍然能夠?qū)敵銎ヅ鋮?shù)進行調(diào)諧［6］。本文針對寬帶功率放大器上述的兩個缺陷，分別采用自適應(yīng)偏置技術(shù)和有源電感進行改進。對于線性度參數(shù)因功放電路的直流工作點漂移而退化的缺點，本文將有源自適應(yīng)偏置電路加到功率放大器的輸出級上，有源自適應(yīng)偏置電路通過向放大器輸出級功放管注入附加電流，有效抑制了其直流工作點的漂移，從而大幅度提高了寬帶功率放大器的線性度。針對功放電路輸出匹配不可調(diào)諧的不足，本文設(shè)計并采用高Q有源電感替代了無源螺旋電感參與功率放大器的輸出匹配，通過調(diào)諧有源電感的感值，實現(xiàn)了輸出匹配可調(diào)諧，從而達到了優(yōu)化寬帶功率放大器整體性能的目的。論文安排如下:第1節(jié)為功率放大器直流工作點漂移現(xiàn)象及改善其漂移的有源自適應(yīng)偏置電路，第2節(jié)為用于實現(xiàn)功率放大器輸出匹配可調(diào)諧的有源電感的拓撲及分析，第3節(jié)為基于有源自適應(yīng)偏置電路和有源電感的寬帶功率放大器拓撲，第4節(jié)為整體電路的驗證及仿真結(jié)果，最后為結(jié)論。

1 功率放大器直流工作點漂移現(xiàn)象及其改善

1．1 直流工作點漂移現(xiàn)象

傳統(tǒng)功率放大器無源偏置拓撲如圖1虛線框所示，其通過電阻R1和R2的分壓為晶體管HBT0提供基極偏置。隨著輸入功率RFin逐漸增加，電阻R1上的壓降逐漸增加，這使得HBT0的基極電位下降，導(dǎo)致基極－發(fā)射級電壓VBE隨輸入功率上升而下降，使得晶體管HBT0的直流工作點漂移嚴(yán)重，如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)無源偏置拓撲

圖2 V BE－P in變化曲線

由于功率放大管直流工作點的漂移，晶體管跨導(dǎo)gm逐漸減小，導(dǎo)致放大器增益壓縮和相位失真［7］，惡化了電路的線性度，使電路在較低輸入功率水平下增益就會發(fā)生壓縮現(xiàn)象(即線性度參數(shù)——輸入、輸出1 dB壓縮點性能較差)。

本文通過采用自適應(yīng)偏置技術(shù)，抑制VBE的漂移現(xiàn)象，最終達到優(yōu)化功率放大器線性度的目的。

1．2 有源自適應(yīng)偏置電路

本文提出的有源自適應(yīng)偏置電路拓撲如圖3虛線框所示，將其加在功率放大管HBT0的基極，用于給HBT0提供適當(dāng)且穩(wěn)定的偏置以抑制其基－射電壓VBE隨輸入功率Pin升高而產(chǎn)生的漂移現(xiàn)象。隨著Pin的增加，流過偏置電路中電阻R1的電流同時增加，通過電阻R1抬高晶體管Q1的基極電位，Q1集電極電流IC1隨之上升。根據(jù)基爾霍夫電流定律，可以分別列出節(jié)點A和節(jié)點B的電流電壓關(guān)系方程，經(jīng)過整理后，可以分別得到晶體管Q2、Q3基極電壓VB2、VB3表達式

由式(1)可知，隨著Q1集電極電流IC1的上升，Q2基極電壓VB2下降，集電極電流IC2隨之下降。再由于電阻R4的分壓作用，如式(2)所示，電流IC2的下降會使晶體管Q3的基極電壓增大，集電極電流IC3也隨之上升?？梢钥闯?，該有源自適應(yīng)偏置電路產(chǎn)生了隨Pin升高而增大的電流IC3，這股電流被注入到了功率放大管HBT0的基極，這樣可以起到補償HBT0基－射電壓VBE隨Pin上升而下降的作用。此外，電容C1為旁路電容，用于短路射頻信號。電阻R5用于為晶體管Q2提供合理的偏置。

圖3 有源自適應(yīng)偏置電路拓撲

圖4為分別采用有源自適應(yīng)偏置和傳統(tǒng)無源偏置功率放大管的VBE－Pin對比曲線。從圖中不難看出，Pin在－30 dBm到－5 dBm范圍內(nèi)，使用傳統(tǒng)無源偏置的功率放大管基－射電壓VBE漂移值達到0．12 V。而采用有源自適應(yīng)偏置的功率放大管在相同Pin范圍內(nèi)，VBE漂移值僅為0．008 V，有效地抑制了功率放大管直流工作點隨輸入功率變化而產(chǎn)生漂移的現(xiàn)象。

圖4 有源自適應(yīng)偏置電路與傳統(tǒng)無源偏置電路V BE－P in曲線

對有源自適應(yīng)偏置電路的穩(wěn)定性進行驗證，通過分析其小信號模型，可以得到傳輸函數(shù)的表達式:

式(3)中分母多項式系數(shù)分別為

式中g(shù)m代表晶體管的跨導(dǎo)，Cπ代表晶體管的基極－發(fā)射極電容。對式(3)的多項式分母進行求解，即得到有源自適應(yīng)偏置電路的極點表達式:

由式(8)～式(10)不難看出，有源自適應(yīng)偏置電路有3個極點，均存在于s域的左半平面，由此可以判定偏置電路系統(tǒng)是無條件穩(wěn)定的。圖5為有源自適應(yīng)偏置電路的小信號增益和相位變化圖。增益在相位變化到約為－120°時下降至0，相位裕度約為60°，仿真結(jié)果同樣證明了該偏置電路系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

圖5 有源自適應(yīng)偏置電路增益和相位變化圖

2 用于輸出匹配的有源電感拓撲

無源螺旋電感往往被用于放大器輸出匹配。但由于螺旋電感感值不可變，當(dāng)使用螺旋電感參與寬帶功率放大器的輸出匹配時，輸出匹配結(jié)果在電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定后則不能夠再被調(diào)諧。所以，使用螺旋電感參與輸出匹配的寬帶功率放大器的輸出匹配會不可避免的因為工藝偏差或封裝寄生等因素而有所退化。為避免上述螺旋電感對功率放大器性能造成的影響，本文采用自主設(shè)計的有源電感參與輸出匹配，通過調(diào)諧有源電感的電感值，實現(xiàn)輸出匹配的調(diào)諧，可用于減緩輸出匹配的退化。此外，螺旋電感存在寄生電阻大、品質(zhì)因子Q低等缺陷，會使功率放大器本該傳到輸出端的功率部分被螺旋電感的寄生電阻消耗，嚴(yán)重影響功率放大器的輸出功率和效率［8］。通過引入有源電感，可以同時彌補這些缺陷。

有源電感大多基于回轉(zhuǎn)器原理，其由正負兩個跨導(dǎo)放大器和并聯(lián)電容構(gòu)成［9－11］。圖6為本文提出的參與功率放大器輸出匹配的高Q有源電感拓撲。該有源電感為差分結(jié)構(gòu)，從端口A和B向電路看進去，各自分別組成了A、B端口的單端有源電感，再通過背對背的連接方式，形成了該差分有源電感。其中，Qb1和Qb2為A端口有源電感提供負跨導(dǎo)，Qa2提供正跨導(dǎo)。類似地，Qa1和Qa2為B端口有源電感提供負跨導(dǎo)，Qb2提供正跨導(dǎo)。構(gòu)成有源電感所需的電容由晶體管內(nèi)寄生電容提供。由于該差分有源電感結(jié)構(gòu)完全對稱，對其中一單端有源電感進行分析，便可以得到影響該差分有源電感值L和Q值的因素。MOS管M1和M2提供電流源。

圖6 高Q有源電感拓撲

分析從A端口看進去的單端有源電感，得到其等效電感值L和其電感串聯(lián)電阻Rs

其中g(shù)m為晶體管的跨導(dǎo)，Cπ為晶體管的基－射結(jié)寄生電容。

由式(11)可以看出，影響端口A單端有源電感的因素為晶體管Qb2的基－射極電容和晶體管Qa1、Qa2的跨導(dǎo)。故通過調(diào)節(jié)圖6所示有源電感中晶體管的尺寸和偏置值，可以改變晶體管的跨導(dǎo)，從而實現(xiàn)有源電感值的可調(diào)諧。更值得注意的是，式(12)所示的電感串聯(lián)電阻Rs為負值，這意味著圖6所示的有源電感拓撲自身產(chǎn)生了負阻值，該負阻值可以部分抵消電路中的寄生電阻，以獲得更高的Q值。圖7為該有源電感的Q值仿真結(jié)果，該值遠大于無源電感的Q值。

圖7 Q值仿真結(jié)果

在寬帶功率放大器輸出端采用上述有源電感參與匹配，一方面可以利用有源電感感值的可調(diào)性，實現(xiàn)功率放大器輸出匹配的可調(diào)，該策略可以用于調(diào)整由于工藝偏差和封裝寄生等因素造成的輸出匹配退化，另一方面還可以減小電路輸出功率在無源螺旋電感上造成的功率損失。

3 基于有源電感和有源自適應(yīng)偏置電路的寬帶功率放大器

本文提出的3．1 GHz～4．8 GHz寬帶功率放大器主體結(jié)構(gòu)如圖8所示。為了減小輸出端的二次諧波值，整體電路采用差分結(jié)構(gòu)［12］，并且采用兩級放大，使功率放大器獲得足夠的增益。第1級由晶體管Q1a和 Q1b構(gòu)成，R1a、C1a和 R1b、C1b分別并聯(lián)在晶體管Q1a和Q1b的集電極和基極之間，用于調(diào)諧功率放大器增益平坦性和輸入匹配。由于共射 －共基(Cascode)拓撲用在功率輸出級可以輸出比單管更高的功率，所以第2級放大電路的主體結(jié)構(gòu)由晶體管 Q2a、Q3a和 Q2b、Q3b組成的兩個 Cascode拓撲構(gòu)成。左右兩個虛線框內(nèi)電路為前文介紹過的有源自適應(yīng)偏置電路，該電路分別加在第2級共射管Q2a和Q2b的基極，為第2級功率放大管提供穩(wěn)定的直流偏置，使功率放大器可以獲得較高的線性輸出功率。劃中間的點畫線方框內(nèi)電路為第3節(jié)提出的新型高Q有源電感，其與電容C5a和C5b構(gòu)成輸出匹配電路。根據(jù)第3節(jié)的分析可知，改變構(gòu)成有源電感晶體管的跨導(dǎo)值可以改變其電感值。所以，通過改變圖6中有源電感MOS管Ma和Mb的柵極偏置Vbias值，就可以改變有源電感的電感值，實現(xiàn)輸出匹配的可調(diào)，由此可以調(diào)整因工藝偏差和封裝寄生等因素造成的輸出匹配退化等不良影響。L1a、L2a、L1b和L2b為扼流電感，阻止射頻信號的泄露。電容C2a和C2b為級間的隔直電容。

圖8 功率放大器完整拓撲

4 功率放大器性能驗證與結(jié)果分析

本文基于Jazz 0．35μm BiCMOS工藝，在VDD=3．3 V條件下，利用射頻仿真工具ADS對電路原理圖進行仿真驗證。

圖9為在頻率f=4 GHz條件下寬帶功率放大器輸出功率Pout隨輸入功率Pin變化圖，從圖中不難看出，Pin在－50 dBm到－15 dBm范圍內(nèi)，Pout隨Pin增大而線性增加，當(dāng)Pin大于－15 dBm后，Pout開始發(fā)生壓縮，1 dB壓縮點發(fā)生在輸入功率Pin1dB=－9 dBm時，此時對應(yīng)輸出功率為Pout1dB=11 dBm。

圖9 P out－P in變化曲線

圖10為有源電感在不同的 Vbias值(0．6 V、0．8 V和1 V)對輸出回波損耗S22的影響?？梢钥闯?，不同的Vbias值會影響電路S22參數(shù)，由此可以通過改變偏壓實現(xiàn)對功率放大器輸出匹配的可調(diào)諧，該策略可以減小由于工藝偏差和封裝寄生等因素造成的輸出匹配退化等不良影響。

圖10 V bias對S22的影響

圖11為功率放大器在Vbias=0．7 V條件下的S參數(shù)仿真結(jié)果，電路平均增益為20．3 dB，平坦度約為1．1 dB。輸入、輸出回波損耗 S11、S22均小于 －10 dB。

圖11 S參數(shù)仿真結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)無條件穩(wěn)定判據(jù)

對電路進行仿真。圖12為功率放大器穩(wěn)定因子K仿真結(jié)果。由結(jié)果可以看出，K值在3．1 GHz～4．8 GHz頻段內(nèi)遠大于1，|Δ|值遠小于1，表明電路在工作頻帶內(nèi)無條件穩(wěn)定。圖13為在頻率f=4 GHz下功率放大器功率附加效率(PAE)仿真結(jié)果，在Pin=0時，PAE達到8．7%。

圖12 功率放大器穩(wěn)定性

圖13 PAE仿真結(jié)果

表1列出了本文提出的寬帶功率放大器和與近年來國內(nèi)外寬帶功率放大器的性能比較。不難發(fā)現(xiàn)，由于本文采用了有源自適應(yīng)偏置電路提升功率放大器的線性度，并且采用有源電感參與寬帶功率放大器的輸出匹配，實現(xiàn)了輸出匹配可調(diào)諧。相較其他文獻而言，功率放大器的線性度(Pout1dB和Pin1dB)獲得了明顯提高，同時電路的輸出匹配顯得更加靈活。

表1 本文結(jié)果與近年寬帶功率放大器性能比較

5 結(jié)論

針對寬帶功率放大器因功放管直流工作點漂移而導(dǎo)致電路線性度受限的缺陷，本文采用自適應(yīng)偏置技術(shù)，通過穩(wěn)定功放管直流偏置電壓VBE，有效提高了寬帶功率放大器的線性度。針對寬帶功率放大器輸出匹配不可調(diào)諧的缺陷，本文設(shè)計并采用新型高Q有源電感取代無源螺旋電感參與輸出匹配，實現(xiàn)了輸出匹配可調(diào)諧的同時，減小了電路輸出功率的損失，該策略可用于調(diào)整因工藝偏差和封裝寄生等因素造成的輸出匹配退化?；贘azz 0．35μm SiGe BiCMOS工藝，利用射頻仿真工具ADS完成了放大器的驗證。結(jié)果表明，本文設(shè)計的寬帶功率放大器，具有較高的線性度和更加靈活的輸出匹配調(diào)

諧性，為提高寬帶功率放大器的線性度和匹配靈活性提供了一種參考。

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