基于InGaP/GaAs HBT 工藝超寬帶高線性度單片放大器

陳仲謀,張 博

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710121)

近年來,隨著5G、6G 無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,國際形勢(shì)的不斷變化和國家在政策上對(duì)集成電路行業(yè)的大力支持,芯片國產(chǎn)化將是大勢(shì)所趨。根據(jù)最近國務(wù)院發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,我國芯片自給率要在2025年達(dá)到70%。未來的手機(jī)基站、衛(wèi)星通信、軍用電臺(tái)、民用雷達(dá)等領(lǐng)域?qū)⒅鸩綄?shí)現(xiàn)芯片國產(chǎn)替代,國內(nèi)市場(chǎng)對(duì)于單片射頻芯片的需求將會(huì)越來越大。單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)[1]憑借小型緊湊、穩(wěn)定性好、批量生產(chǎn)成本低、抗干擾能力強(qiáng)以及產(chǎn)品性能一致性好等優(yōu)點(diǎn)成為軍事電子對(duì)抗、民用通信系統(tǒng)應(yīng)用中最具吸引力的選擇。

目前,單片射頻微波集成放大器主要采用第二代半導(dǎo)體材料磷化鎵銦/砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(InGaP/GaAs HBT) 或贗配高電子遷移率晶體管(pHEMT)工藝。pHEMT 工藝具有高跨導(dǎo)、低噪聲系數(shù)和高增益的特點(diǎn)。而HBT 工藝具有集電極效率高、電流增益大、1/f噪聲小、電流密度大等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)小的基極寬度調(diào)制導(dǎo)致HBT 具有高的線性度和低的諧波失真[2]。

單片射頻微波集成放大器作為無線通信系統(tǒng)中射頻前端的重要組成部分,其超寬帶和高線性特性一直是研究的熱點(diǎn)?；诔瑢拵Ц呔€性度放大器的研究,文獻(xiàn)[3]采用帶負(fù)反饋系統(tǒng)的有源鏡像電路結(jié)構(gòu)及多胞合成技術(shù)來擴(kuò)展帶寬和提高線性度,其在2.6 GHz處的增益為14.3 dB,輸出功率1 dB 壓縮點(diǎn)為28.4 dBm,輸出功率三階交調(diào)點(diǎn)為37.5 dBm,但是其增益較低,帶寬也較窄。文獻(xiàn)[4]采用四級(jí)射極跟隨器級(jí)聯(lián)和自適應(yīng)有源偏置電路來擴(kuò)展帶寬,其增益可以達(dá)到20 dB,輸出功率1 dB 壓縮點(diǎn)大于17 dBm,但是其電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,且?guī)捴荒芨采w在2 GHz 以上的頻率范圍。

為了對(duì)放大器電路帶寬進(jìn)行擴(kuò)展,提高線性度指標(biāo),本文首先分析了HBT 的結(jié)構(gòu)及其工作原理;其次,設(shè)計(jì)和分析了負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)偏置電路結(jié)構(gòu)和有源偏置電路結(jié)構(gòu),并采用上述電路結(jié)構(gòu)來擴(kuò)展放大器的帶寬,提高放大器的線性度和降低放大器在高低溫下靜態(tài)電流的波動(dòng),解決了傳統(tǒng)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的單片微波放大器帶寬窄和線性度低的問題;最終,基于2 μm InGaP/GaAs HBT 工藝設(shè)計(jì)了一款0.05～10 GHz 超寬帶高線性度單片微波放大器。

1 HBT 晶體管結(jié)構(gòu)分析

HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)全稱為異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管[5-6],其結(jié)構(gòu)是對(duì)雙極型晶體管(BJT)的改進(jìn),是立體結(jié)構(gòu)器件。HBT 結(jié)構(gòu)的提出是為了解決雙極型晶體管因減小基區(qū)摻雜濃度以提高晶體管電流放大倍數(shù)而造成的基區(qū)電阻增大、截止頻率降低、高頻性能變差的問題。因此,HBT 的發(fā)射區(qū)為寬禁帶半導(dǎo)體材料,其異質(zhì)結(jié)常采用兩種晶格常數(shù)相匹配的異質(zhì)半導(dǎo)體材料組成,常見的異質(zhì)結(jié)材料組合有InGaP/GaAs、AlGaAs/GaAs 和InGaAs/InP 等。

其中,InGaP/GaAs HBT 的發(fā)射區(qū)采用能帶隙較寬的N 型InGaP 材料進(jìn)行輕摻雜,基區(qū)采用能帶隙較窄的P 型GaAs 材料進(jìn)行重?fù)诫s,而集電區(qū)則采用和基區(qū)相同材料的N 型半導(dǎo)體進(jìn)行輕摻雜。因此,對(duì)于這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),其基區(qū)的空穴需要跨越很大的勢(shì)壘才能到達(dá)發(fā)射區(qū),這個(gè)勢(shì)壘要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)射區(qū)電子進(jìn)入基區(qū)的勢(shì)壘,所以即便基區(qū)摻雜濃度很高,也可以抑制基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴產(chǎn)生的復(fù)合電流。同時(shí),由于基區(qū)和發(fā)射區(qū)的能帶隙差大于零,因此使得晶體管具有較大的電流放大倍數(shù)。并且,通過提高基區(qū)半導(dǎo)體材料的摻雜濃度使得基區(qū)電阻降到很小,這樣基區(qū)就可以加工得非常薄,再將發(fā)射區(qū)半導(dǎo)體材料的摻雜濃度降到很低,就可以大大減小晶體管的基-射結(jié)電容,從而提高了晶體管的高頻性能和截止頻率。

本設(shè)計(jì)采用的2 μm InGaP/GaAs HBT 的橫截面及各層結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)不僅具有較小的基極阻抗和基-射結(jié)電容以及較大的電流放大倍數(shù),而且GaAs HBT 的大功率密度特性使得在相同的輸出功率下,其線性度特性遠(yuǎn)優(yōu)于其他工藝[7]。

圖1 InGaP/GaAs HBT 的橫截面及各層結(jié)構(gòu)圖Fig.1 InGaP/GaAs HBT cross section and structure diagram of each layer

2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

2.1 負(fù)反饋電路

文獻(xiàn)[8]提出了一種分頻方法來擴(kuò)展放大器的帶寬,而在MMIC 放大器的設(shè)計(jì)中,常采用負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)來擴(kuò)展放大器的帶寬。如圖2 所示為常見的兩種負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)。其中,圖2(a)為傳統(tǒng)的并聯(lián)電阻負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)[9],此結(jié)構(gòu)的輸入阻抗表達(dá)式為:

由式(1)可知,在負(fù)載電阻RL和晶體管跨導(dǎo)gm基本保持不變的情況下,可以通過調(diào)節(jié)反饋電阻Rf的值來改變輸入阻抗的值,同時(shí)可以通過減小反饋電阻Rf的值來擴(kuò)展帶寬和提高增益平坦度,但這樣會(huì)同時(shí)惡化電路的噪聲性能和端口匹配。因此,圖2(b)所示的帶有發(fā)射極串聯(lián)電感的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)是對(duì)傳統(tǒng)并聯(lián)電阻負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)[10],此結(jié)構(gòu)的輸入阻抗表達(dá)式為:

圖2 (a) 傳統(tǒng)并聯(lián)電阻負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu);(b) 帶有發(fā)射極串聯(lián)電感的負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)Fig.2 (a) Traditional negative feedback circuit structure with parallel resistance;(b) Negative feedback circuit structure with emitter series inductance

由式(2)可知,在HBT 的發(fā)射極加入負(fù)反饋電感LS后,其輸入阻抗表達(dá)式中就引入了電感LS這個(gè)變量。在負(fù)載電阻RL和晶體管跨導(dǎo)gm基本保持不變的情況下,可以通過增大反饋電阻Rf的值來優(yōu)化噪聲性能,同時(shí)減小負(fù)反饋電感LS的值使得輸入阻抗基本保持不變,這種結(jié)構(gòu)就解決了帶寬、端口匹配和噪聲之間的矛盾。因此,本設(shè)計(jì)將采用傳統(tǒng)并聯(lián)電阻負(fù)反饋結(jié)構(gòu)和帶有發(fā)射極串聯(lián)電感負(fù)反饋結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法來擴(kuò)展帶寬,優(yōu)化端口匹配和噪聲性能。

2.2 動(dòng)態(tài)偏置電路

為了提高放大器的線性度,避免發(fā)生增益壓縮和信號(hào)的非線性失真現(xiàn)象,通常采用使晶體管的偏置電壓或偏置電流隨輸入信號(hào)功率的變化而變化的偏置電路[11]結(jié)構(gòu),讓放大器工作在一個(gè)動(dòng)態(tài)的狀態(tài),這種偏置電路稱為動(dòng)態(tài)偏置結(jié)構(gòu)。圖3 為本設(shè)計(jì)采用的動(dòng)態(tài)偏置結(jié)構(gòu)。

圖3 動(dòng)態(tài)偏置電路結(jié)構(gòu)Fig.3 Dynamic bias circuit structure

圖3 中,HBT 晶體管的基射結(jié)等效二極管起可變電阻的作用,當(dāng)射頻輸入端的信號(hào)功率逐漸增大時(shí),泄漏到HBT 晶體管基射結(jié)等效二極管的射頻信號(hào)隨之增大,此時(shí)流過基射結(jié)等效二極管的電流增大,其電阻減小,那么流入輸入級(jí)晶體管的基極偏置電流增大,使得輸入級(jí)晶體管的偏置點(diǎn)升高,從而提高了放大器的線性度指標(biāo)和動(dòng)態(tài)范圍,增強(qiáng)了電路的自適應(yīng)線性化效果[12]。

2.3 有源偏置電路

在MMIC 放大器的設(shè)計(jì)中,為了在提高放大器線性度的同時(shí),又能使放大器的偏置點(diǎn)不隨環(huán)境溫度的變化而發(fā)生波動(dòng),常采用有源偏置電路來穩(wěn)定放大器的偏置點(diǎn),從而改善放大器的線性度。而且,有源偏置電路結(jié)構(gòu)不僅能使放大器穩(wěn)定工作和輸出穩(wěn)定,還可以補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化和電源電壓的波動(dòng)[13],從而提高了放大器的穩(wěn)定性。圖4 為本設(shè)計(jì)的有源偏置電路結(jié)構(gòu)。

圖4 有源偏置電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Active bias circuit structure

圖4 中,偏置管HBT3通過其基極為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的第二級(jí)放大管HBT2提供有源偏置。當(dāng)電源電壓Vdd發(fā)生波動(dòng)或者環(huán)境溫度變化影響晶體管的偏置點(diǎn)時(shí),有源偏置晶體管HBT3通過控制其基射極偏置電壓來改變集電極電流,補(bǔ)償放大管的電流變化,從而達(dá)到控制達(dá)林頓放大管輸入端基極偏置電壓的目的,而輸入端基極偏置電壓則控制放大管HBT1和HBT2的正常開啟。因此,該有源偏置電路結(jié)構(gòu)可以降低放大管對(duì)電源電壓波動(dòng)和環(huán)境溫度的敏感度,從而穩(wěn)定了放大管的偏置點(diǎn)。同時(shí),放大管的基極偏置電阻具有提高晶體管穩(wěn)定性的作用。

2.4 放大器原理圖設(shè)計(jì)

通過對(duì)上述電路結(jié)構(gòu)的分析,最終基于2 μm InGaP/GaAs HBT 工藝,對(duì)傳統(tǒng)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)[14]進(jìn)行改進(jìn),創(chuàng)新性地將負(fù)反饋電路、動(dòng)態(tài)偏置電路和有源偏置電路結(jié)構(gòu)相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一款0.05～10 GHz 超寬帶高線性度單片放大器,解決了傳統(tǒng)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的單片微波放大器帶寬窄、線性度低和高低溫下靜態(tài)電流波動(dòng)大的問題。放大器的整體電路原理框圖如圖5 所示。

圖5 放大器的原理框圖Fig.5 The schematic block diagram of amplifier

圖5 中,電容C1、C2為片外隔直電容,C3為片外去耦電容,L1為片外扼流電感。L2和L3分別為晶體管HBT1和HBT2的源極負(fù)反饋電感,它們與負(fù)反饋電路共同起到擴(kuò)展放大器帶寬、提高增益平坦度、改善端口匹配和優(yōu)化噪聲性能的作用。動(dòng)態(tài)偏置電路起到提高放大器線性度指標(biāo)的作用。有源偏置電路為晶體管HBT2的柵極提供偏置電壓,同時(shí)起到減小放大器對(duì)電源電壓波動(dòng)和環(huán)境溫度的敏感度、穩(wěn)定放大管的偏置點(diǎn)的作用。電阻R1起到提高電路穩(wěn)定性的作用。其中,晶體管HBT1、HBT2、動(dòng)態(tài)偏置電路晶體管和有源偏置電路晶體管的尺寸分別為2 μm×10 μm,3 μm×15 μm,2 μm×10 μm 和1 μm×10 μm。

該放大器采用5 V 單電源供電,電路已內(nèi)匹配至50 Ω,應(yīng)用電路簡單,無需外圍匹配電路,因此實(shí)用性較強(qiáng)。

2.5 放大器版圖設(shè)計(jì)

在進(jìn)行放大器電路的版圖設(shè)計(jì)時(shí),首先要注意以下幾點(diǎn):(1)晶體管基極起穩(wěn)定作用的電阻阻值一般較小,所以在版圖布局時(shí)其占用面積較大,因此可以采用多個(gè)電阻并聯(lián)的方式代替一個(gè)基極小電阻,從而減小版圖面積;(2)對(duì)于阻值較大的電阻可以采用多個(gè)小阻值電阻串聯(lián)的方式來減小版圖面積;(3)為了提高過流能力,版圖布局時(shí)所有元件和金屬線的寬度都適當(dāng)增加;(4)由于電感在版圖布局時(shí)所占面積較大且其在高頻時(shí)產(chǎn)生的寄生效應(yīng)對(duì)放大器的高頻性能影響較大,因此,為減小版圖面積和提高放大器的高頻性能,圖5 中晶體管發(fā)射極的負(fù)反饋電感均采用微帶線來代替。

放大器電路的完整版圖如圖6 所示。經(jīng)過不斷優(yōu)化版圖布局來減小版圖尺寸,最終的版圖面積為400 μm×750 μm。版圖布局完成后均通過了本次設(shè)計(jì)所采用的工藝設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)、版圖對(duì)原理圖(LVS)規(guī)則檢查,為后續(xù)的產(chǎn)品化進(jìn)程奠定了基礎(chǔ)。

圖6 放大器的版圖Fig.6 The layout of amplifier

3 后仿真結(jié)果及分析

本設(shè)計(jì)的超寬帶高線性度單片放大器的小信號(hào)S參數(shù)版圖后仿真結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知,在0.05～10 GHz 頻率范圍內(nèi),小信號(hào)增益(S21)均大于10 dB,最大值為21 dB;輸入回波損耗(S11)和輸出回波損耗(S22)均小于-10 dB;反向隔離度(S12)均小于-15 dB。該放大器在較寬的頻率范圍內(nèi)均可使用。

圖7 小信號(hào)S 參數(shù)Fig.7 The S-parameters of small signal

圖8 為輸出功率1 dB 壓縮點(diǎn)(OP1dB)的仿真結(jié)果。由圖8 可知,所設(shè)計(jì)的帶有動(dòng)態(tài)偏置和有源偏置電路結(jié)構(gòu)放大器的OP1dB 比傳統(tǒng)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)放大器提高3 dBm 左右。因此可以看出,使用該動(dòng)態(tài)偏置電路結(jié)構(gòu)對(duì)放大器的線性度指標(biāo)有明顯的提高。

圖8 輸出功率1 dB 壓縮點(diǎn)Fig.8 The output power 1 dB compression point

圖9 為輸出功率三階交調(diào)點(diǎn)(OIP3)的仿真結(jié)果。由圖9 可知,在對(duì)傳統(tǒng)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的放大器改進(jìn)后,其線性度指標(biāo)輸出功率三階交調(diào)點(diǎn)得到了明顯的提高,其中低頻段提高約8 dBm,整體提高4 dBm 左右。因此可以說明,所采用的動(dòng)態(tài)偏置電路結(jié)構(gòu)對(duì)于放大器線性度指標(biāo)的提高較為明顯。

圖9 輸出功率三階交調(diào)點(diǎn)Fig.9 The output power third-order intermodulation point

圖10 為噪聲系數(shù)(NF)的仿真結(jié)果。由圖10 可知,在0.05～10 GHz 頻率范圍內(nèi),所設(shè)計(jì)的放大器的噪聲系數(shù)典型值為3.5 dB,高頻段噪聲系數(shù)惡化較快,但是整體噪聲系數(shù)小于5 dB,具有良好的噪聲特性。

圖10 噪聲系數(shù)Fig.10 Noise figure

圖11 為放大器的穩(wěn)定性因子仿真結(jié)果。由圖11可知,在放大器的工作頻率范圍內(nèi),其穩(wěn)定性因子K值均大于1,B值均大于0,因此根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)可得,所設(shè)計(jì)的單片放大器絕對(duì)穩(wěn)定,無自激振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 穩(wěn)定性因子Fig.11 Stability factor

表1 為本文所設(shè)計(jì)的放大器與已報(bào)道文獻(xiàn)中放大器的指標(biāo)對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果可知,本設(shè)計(jì)有很寬的工作頻帶,具有超寬帶特性,并且回波損耗均優(yōu)于其他文獻(xiàn)指標(biāo)。同時(shí),在輸出功率1 dB 壓縮點(diǎn)、輸出功率三階交調(diào)點(diǎn)等線性度指標(biāo)方面也具有一定優(yōu)勢(shì),芯片尺寸小。并且本設(shè)計(jì)還具有低功耗特性,靜態(tài)電流僅為34 mA,高低溫下電流波動(dòng)±1.5 mA,直流功耗僅為0.17 W。

表1 放大器指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Index comparison of amplifiers

4 結(jié)論

本文基于新型第二代半導(dǎo)體材料InGaP/GaAs 和先進(jìn)的HBT 工藝,在傳統(tǒng)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)放大器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),采用負(fù)反饋電路、動(dòng)態(tài)偏置電路和有源偏置電路結(jié)構(gòu)來擴(kuò)展放大器的帶寬、提高放大器的線性度指標(biāo)及穩(wěn)定高低溫下靜態(tài)電流的波動(dòng),設(shè)計(jì)了一款0.05～10 GHz 超寬帶高線性度單片放大器,解決了傳統(tǒng)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)帶寬窄和線性度低的問題。放大器的電磁仿真結(jié)果顯示:在5 V 單電源供電時(shí),靜態(tài)電流僅為34 mA,高低溫下電流波動(dòng)±1.5 mA,直流功耗僅為0.17 W;小信號(hào)增益最大值為21 dB,回波損耗的典型值均小于-12.5 dB,輸出功率1 dB 壓縮點(diǎn)最高可達(dá)16.1 dBm,輸出功率三階交調(diào)點(diǎn)最大值為31.1 dBm,其中線性度指標(biāo)較傳統(tǒng)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的放大器有明顯的提升。而且放大器芯片的尺寸小,僅為400 μm×750 μm,芯片已內(nèi)匹配至50 Ω,無需外圍匹配電路,應(yīng)用簡單,可作為通信系統(tǒng)中射頻前端的驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器使用。