基于SiGe HBT的38 GHz功率放大器設(shè)計

邸士偉，劉　昱，李志強，張海英

（中國科學(xué)院微電子研究所 “新一代通信射頻芯片技術(shù)”北京市重點實驗室，北京 100029）

基于SiGe HBT的38 GHz功率放大器設(shè)計

邸士偉，劉昱，李志強，張海英

（中國科學(xué)院微電子研究所 “新一代通信射頻芯片技術(shù)”北京市重點實驗室，北京 100029）

功率放大器（Power Amplifier，PA）是射頻前端關(guān)鍵的模塊，基于0.13 μm SiGe HBT工藝，設(shè)計了一款 38 GHz功率放大器。提出了HBT集電極寄生電容和傳輸線諧振的方法減小芯片面積，針對毫米波頻段下，晶體管可獲得最大增益較低，采用堆疊晶體管提高了功率放大器的增益，同時通過優(yōu)化有源器件參數(shù)，提高了功率放大器的輸出功率和效率。仿真結(jié)果顯示，在4 V的供電電壓下，工作在38 GHz的功率放大器1 dB壓縮點輸出功率為17.8 dBm，功率增益為19.0 dB，功率附加效率為32.3%，功耗為252 mW。

功率放大器；38 GHz；HBT；有源偏置

0　引言

近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，移動通信數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式的增長，現(xiàn)有的通信系統(tǒng)很難滿足人們未來生活的需求。為了提高數(shù)據(jù)容量和通信速度，需要增加信道帶寬，相比于擁擠的幾百兆赫茲到幾吉赫茲頻段，毫米波頻段有大量的有待開發(fā)的頻譜資源，是無線通信領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。

作為收發(fā)機中最為重要的模塊，功率放大器（PA）的性能決定著整個通信系統(tǒng)。CMOS功率放大器成本較低，但是輸出功率較低和線性度較差，目前很難滿足通信系統(tǒng)的要求。化合物半導(dǎo)體（砷化鎵等）功率放大器工藝集成度低，成本過高[1-2]。SiGe工藝實現(xiàn)了性能和成本的平衡，而且效率高、增益大、線性度好、功率密度高，非常適合于功率放大器的設(shè)計，受到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的普遍關(guān)注。

工作在毫米波頻段的功率放大器由于寄生電容影響增大、無源器件損耗增加，導(dǎo)致晶體管可獲得增益較低，輸出功率較小。針對該問題，本文基于0.13 μm SiGe工藝，設(shè)計了一款工作在 38 GHz頻率的單級功率放大器，采用堆疊（Stacked）異質(zhì)結(jié)（HBT）結(jié)構(gòu)，提高了增益；通過優(yōu)化級間有源器件尺寸、偏置等參數(shù)，實現(xiàn)了較高輸出功率和效率的功率放大器。

1　技術(shù)原理

圖1　傳統(tǒng)功率放大器結(jié)構(gòu)

如圖1所示為傳統(tǒng)功率放大器的基本結(jié)構(gòu)[3]，在毫米波頻段，利用四分之一波長傳輸線作為晶體管負載阻抗。對于不同的工作頻率和工藝，四分之一線長度不同。但是即使在 38 GHz，本項目使用的工藝下，四分之一波長仍有 930 μm，片上實現(xiàn)需要很大面積，而且傳輸線引入的插入損耗與其長度成正比，過長的傳輸線降低了功率放大器的輸出功率和效率。

依據(jù)傳輸線理論，不同長度的傳輸線可以用來實現(xiàn)不同的電抗，長度為d的傳輸線終端接負載ZL的輸入阻抗可以用下式表示[4]：

其中，V+表示入射波電壓，Γ0表示終端反射系數(shù)，β表示相位闡述，Z0為傳輸線特征阻抗。當(dāng)傳輸線終端短路時，Γ0=-1，式(1)可以化簡為：

可以看出，當(dāng)傳輸線長度不同時，可以表示不同的周期性變化電抗值，而且當(dāng)傳輸線長度小于四分之一波長線時，傳輸線的作用等效為電感，等效電感值為：

HBT結(jié)構(gòu)形成了許多PN結(jié)，所以有許多結(jié)電容。在集電極端，主要有有集電極-基極結(jié)電容 Cμ，集電極-襯底結(jié)電容CCS，將集電極對地總電容記為CC，如圖1所示。

由于HBT集電極電容的存在，可以通過使傳輸線等效電感和HBT集電極寄生電容諧振實現(xiàn)高負載阻抗，諧振頻率如式(4)：

從式(4)可見，通過設(shè)計傳輸線的長度和特征阻抗等參數(shù)實現(xiàn)所需要的諧振頻率。相比于在四分之一波長傳輸線，這種負載結(jié)構(gòu)Q值降低，功率放大器帶寬增大，而且傳輸線長度顯著減小，因此減小了損耗，降低了芯片面積，節(jié)省了成本。

2　電路設(shè)計

2.1原理圖設(shè)計

本文基于IBM 0.13 μm SiGe工藝，設(shè)計了一款采用有源偏置電路的功率放大器，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用堆疊（Stacked）2個 HBT結(jié)構(gòu)，其有以下優(yōu)點：(1)增益近似是共射極HBT結(jié)構(gòu)的兩倍，單級放大器就可以實現(xiàn)很高的功率增益；(2)由于HBT擊穿電壓較小，采用這種結(jié)構(gòu)提高電源電壓，提高了輸出功率；(3)功率放大器的輸出電阻放大了（1+gmRout）倍，增強了驅(qū)動負載的能力[5]；(4)反向隔離度（S21）增大，使得輸出信號對輸入信號的干擾減小。利用上文提到的傳輸線和集電極電容諧振的方法，使得傳輸線TL1長度從930 μm（四分之一波長）減小到 405 μm，面積和損耗減小，提高了輸出功率和效率。輸入端匹配電路將端口50 Ω匹配到晶體管輸入阻抗的共軛值以減小信號反射；輸出端利用負載線原理優(yōu)化負載阻抗值，實現(xiàn)最大輸出功率。

圖2　功率放大器電路結(jié)構(gòu)

2.2有源器件設(shè)計

本項目所用工藝中，提供了高速和高壓兩種類型的HBT器件，主要參數(shù)如表1所示。高擊穿電壓HBT結(jié)構(gòu)對應(yīng)截止頻率低，高截止頻率HBT對應(yīng)增益較高，為了提高放大器增益，選用高速HBT器件。擊穿電壓BVceo= 1.8 V，BVceo是基極開路時發(fā)射極-集電極的擊穿電壓，而當(dāng)基極處于低阻,BVce超過5 V，因為雪崩擊穿產(chǎn)生的空穴經(jīng)低阻的基極流出[6]。HBT尺寸需要多方面的考慮折中，增加HBT發(fā)射極面積可以增加輸出功率，但是隨著 HBT尺寸的增加，輸出最優(yōu)負載阻抗(Zopt)和輸入阻抗(Zin)減小，輸出最優(yōu)阻抗匹配到 50 Ω和將輸入阻抗匹配到 50 Ω難度增大，增大HBT發(fā)射極面積增加的輸出功率被匹配電路消耗，因此發(fā)射極面積存在最優(yōu)值。晶體管的偏置決定了功率放大器的工作狀態(tài)，偏置較低，PA的效率較高，但是可能產(chǎn)生增益膨脹效應(yīng)，線性度變差；偏置較高時，增益和線性度提高，相應(yīng)功耗也較高，靜態(tài)工作點的選擇要在線性度，功耗，效率，增益中進行優(yōu)化。綜合考慮，選擇基極電壓為0.83 V。輸出電壓過低時會導(dǎo)致Stacked HBT提前進入飽和區(qū)而限制了輸出電壓擺幅，同時偏置過低會導(dǎo)致共射極HBT集電極-發(fā)射極電壓過高而擊穿。Stacked HBT基極電壓選擇為2 V。

表1　HBT主要工藝參數(shù)

2.3有源偏置電路設(shè)計

功率放大器的偏置常采用電阻分壓或者電感實現(xiàn)。但是由于電阻在工藝制造中誤差較大[7]，引起偏置不準(zhǔn)確。電感偏置實現(xiàn)所占用芯片面積較大，同時在毫米波段，工藝庫提供電感通常Q值很低，需要通過電磁仿真設(shè)計，不易實現(xiàn)。而有源偏置電路具有實現(xiàn)面積小、設(shè)計方便的優(yōu)勢，如圖中虛線框所示，由二極管連接的 Qb1、Qb2和電阻 Rbias1和電容 Cb給鏡像支路 Qb3提供穩(wěn)定的基極電位，Rbias2的加入減小了Qb3的非理想因素，提高偏置的穩(wěn)定度。通過改變Q1，Q2，Rbias1的參數(shù)使得偏置電路輸出穩(wěn)定的 0.83 V電壓。本設(shè)計電路器件參數(shù)如表2所示。

表2　功率放大器原理圖器件參數(shù)信息

3　結(jié)果及分析

采 用 Cadence Spectre軟件對電路進行仿真，仿真結(jié)果如圖3～圖5所示，從圖中可以看出，在整個頻帶內(nèi)，穩(wěn)定性因子(K)大于1，功率放大器無條件穩(wěn)定；在 35～40 GHz內(nèi)，S11＜-10 dB；輸出1 dB壓縮點功率(P1dB)17.8 dBm，P1dB處的功率附加效率(PAE)為33.2%，在38 GHz處功率增益達到最大值19.0 dB，功耗252 mW。表3給出了本設(shè)計與其他文獻的性能對比，可以看出，本文設(shè)計的功率放大器提高了輸出功率、增益和效率。

圖3　S11，S21，K隨頻率變化關(guān)系

圖4　PA輸出功率(Pout)和功率增益(Gp)

圖5　PA功率附加效率（PAE）

表3　本文功率放大器性能與文獻對比

4　結(jié)論

本文基于 IBM 0.13 μm SiGe工藝設(shè)計了一種應(yīng)用于38 GHz頻段的功率放大器。由于四分之一波長占用面積較大，提出了利用傳輸線的電感效應(yīng)和HBT寄生電容諧振的方法，減小了芯片面積；同時采用堆疊HBT的結(jié)構(gòu)，提高了功率放大器的增益；通過優(yōu)化有源器件的尺寸和靜態(tài)工作點，增加了輸出功率和效率。仿真結(jié)果表明：38 GHz功率放大器 1 dB壓縮點輸出功率為17.8 dBm，功率增益為 19.0 dB，1 dB壓縮點處的功率附加效率（PAE）為32.3%，功耗為252 mW。與其他文獻對比，本設(shè)計實現(xiàn)了輸出功率大，增益和效率高的設(shè)計目標(biāo)。

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A 38 GHz power amplifier based on SiGe HBT process

Di Shiwei，Liu Yu，Li Zhiqiang，Zhang Haiying
(Beijing Key Laboratory of Radio Frequency IC Technology for Next Generation Communications，Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China)

Power Amplifier(PA)is an important unit in the RF front-ends.A 38 GHz power amplifier is designed based on 0.13 μm SiGe HBT process.This paper proposed a method to decrease chip area.Due to the low maximum stable gain of transistors in millimeter wave frequency band,stacked HBT structure is utilized to improve power gain of the PA.High output power,gain,and efficiency are achieved by optimizing the active devices.The simulation results show that the PA achieves an output 1 dB compression point power of 17.8 dBm,power gain of 19.0 dB,power add efficiency(PAE)of 32.3%at 1 dB compression point,and has 252 mW power dissipation.

power amplifier(PA)；38 GHz；HBT；active baising

TN722.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.009

邸士偉（1989－），男，碩士研究生，主要研究方向：毫米波集成電路設(shè)計。

劉昱（1975－），男，博士，研究員，主要研究方向：高性能模擬/射頻 CMOS集成電路，硅基毫米波集成電路，超低功耗短距離無線通訊系統(tǒng)等。

中文引用格式：邸士偉，劉昱，李志強，等.基于SiGe HBT的38 GHz功率放大器設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(2)：36-38，45.

英文引用格式：Di Shiwei，Liu Yu，Li Zhiqiang，et al.A 38 GHz power amplifier based on SiGe HBT process[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：36-38，45.