低成本寬帶高線性度驅(qū)動(dòng)放大器芯片

成都嘉納海威科技有限責(zé)任公司 呂繼平 鐘 丹 王測(cè)天 鄔海峰

青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院 林 倩

近幾年5G通信的廣泛普及導(dǎo)致市場(chǎng)對(duì)于無(wú)線通信設(shè)備及芯片的需求猛增。由于功率放大器是無(wú)線通信射頻前端中功率輸出部分，主要完成對(duì)射頻信號(hào)的不失真放大，同時(shí)兼顧系統(tǒng)對(duì)帶寬、功率、效率和線性度的要求；而射頻驅(qū)動(dòng)放大器作為5G無(wú)線通信射頻前端中的重要器件，一般放在功率放大器的輸入端，為后級(jí)功放提供中功率輸入信號(hào)，因此驅(qū)動(dòng)放大器需滿(mǎn)足在保持線性度的條件下具備較高的增益和較大的功率輸出，因此驅(qū)動(dòng)放大器的工作帶寬、輸出功率、增益、線性度等關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)5G無(wú)線通信信號(hào)質(zhì)量有著重要影響。尤其在L波段，由于傳輸損耗更小，穿透力更強(qiáng)，信號(hào)覆蓋面積更廣，適用于大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如將其用在組網(wǎng)基站可降低基站成本，因此5G系統(tǒng)迫切需求L波段驅(qū)動(dòng)放大器芯片，并且要求其具備低成本、寬帶、高線性度指標(biāo)。

本文基于2μm GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款0.4～1.4GHz寬帶高線性度驅(qū)動(dòng)放大器芯片。該驅(qū)動(dòng)放大器采用一級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合自適應(yīng)偏線性化偏置與負(fù)反饋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了良好的輸入、輸出駐波、噪聲系數(shù)和線性度指標(biāo)。芯片面積為800×650um2。在3.3V供電電壓下，該放大器芯片實(shí)測(cè)靜態(tài)電流為52mA，在0.4～1.4GHz工作頻帶內(nèi)，典型增益為17dB，輸出P1dB大于19.2dBm，OIP3大于39.5dBm。該芯片在-40℃、+25℃、+115℃三溫條件下核心指標(biāo)增益、輸出P1dB、OIP3值在±1dB以?xún)?nèi)，呈現(xiàn)了良好的溫度波動(dòng)特性，同時(shí)在3.15V、3.3V、3.45V三種供電電壓下，核心指標(biāo)±0.5dB以?xún)?nèi)，適合5G通信系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 芯片結(jié)構(gòu)

本文提出的驅(qū)動(dòng)放大器電路原理圖如圖1所示，為一級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)，由4個(gè)晶體管晶M1~M4并聯(lián)組成一個(gè)放大管胞，以提高放大器輸出功率和線性度。芯片輸入端并聯(lián)到地大電感L1，起到防靜電保護(hù)以及低頻增益匹配的作用。C1和R1為放大器輸入端阻抗匹配電路，用于以改善放大器駐波、增益噪聲系數(shù)以及增益平坦度和線性度等關(guān)鍵指標(biāo)。在晶體管M1～M4的發(fā)射極分別串聯(lián)整流電阻R2～R5用于提高基極電流的控制能力并改善放大器的熱穩(wěn)定性，R2～R5取值由所選工藝以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)共同決定。發(fā)射極整流的方式同基極整流的方式相比，線性度指標(biāo)會(huì)有顯著提升。電容C3和電阻R9為放大器提供負(fù)反饋回路，可調(diào)節(jié)輸入輸出匹配，擴(kuò)展帶以及改善放大器的穩(wěn)定性。

圖1 驅(qū)動(dòng)放大器電路原理圖

該結(jié)構(gòu)采用自適應(yīng)線性化偏置電路提升了放大器的線性度，同時(shí)對(duì)放大器起到一定的溫度補(bǔ)償和穩(wěn)定晶體管的偏置電壓的作用，偏置電路的電源為+3.3V。如圖1所示，自適應(yīng)線性化偏置電路結(jié)構(gòu)中，晶體管M7、M8以等效二極管方式進(jìn)行連接，M8發(fā)射極串聯(lián)電阻R8到地，M7與M5和M6共同組成電流鏡結(jié)構(gòu)，電容C4的作用可將泄露到偏置電路的射頻信號(hào)旁路到地。放大管胞集電極電路偏置直接由外部輸入的3.3V提供。電阻R6與C2為偏置電路的匹配電路，用來(lái)改善偏置電路引入的插入損耗。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用2μm的GaAs HBT工藝進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)流片后，芯片尺寸為800×650um2。在芯片的Vbb和Vcc端加3.3V電壓，靜態(tài)電流為52mA。常溫下測(cè)得的芯片的性能指標(biāo)如圖2所示，在0.4～1.4GHz范圍內(nèi)增益16.7～17.2dB，增益平坦度≤ 0.5dB，輸入回波小于-15dB、輸出回波小于-11.5dB，典型噪聲系數(shù)為7dB，輸出P-1dB大于19.2dBm，OIP3大于39.5dBm。

圖2 S參數(shù)、噪聲和線性度測(cè)試結(jié)果

從圖3中可以看出，在環(huán)境溫度-40℃～+115℃范圍內(nèi)，放大器在全工作頻段內(nèi)的輸出P1dB三溫曲線一致性很好，變化不大于1.7dBm，OIP3變化最大為2.2dB。

圖3 P1dB和OIP3線性度三溫測(cè)試結(jié)果

從圖4中可以看到三種工作電壓下放大器的輸出P1dB化曲線小于0.9dB，OIP3變化小于1.5dB。

圖4 不同工作電壓條件下P1dB和OIP3線性度測(cè)試結(jié)果

結(jié)論：論文采用2μm GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)了一款0.4～1.4GHz寬帶高線性度驅(qū)動(dòng)放大器，芯片尺寸為800×650um2。在3.3V工作電壓下，芯片的常溫靜態(tài)電流為52mA，在0.4GHz～1.4GHz頻帶內(nèi)，測(cè)得芯片典型增益為17dB且增益平坦度不大于0.5dB。芯片的P1dB大于19.2dBm，OIP3大于39.5dBm。從常溫測(cè)試測(cè)試結(jié)果可以看出，該芯片具有工作頻段寬、高增益、高線性度的特點(diǎn)。本文同時(shí)對(duì)比了在不同輸入電壓以及極限環(huán)境溫度條件下放大器的主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，從測(cè)試結(jié)果對(duì)比可看出，該驅(qū)動(dòng)放大器具有一定的溫度穩(wěn)定性和電壓波動(dòng)穩(wěn)定性，能夠在溫度范圍大、電壓有一定波動(dòng)的惡劣環(huán)境下使用。