一款應(yīng)用于Wi-Fi6E設(shè)備的GaAsHBT功率放大器

朱海 黃亮 周宏波

關(guān)鍵詞：功率放大器;WIFI6E;GaAsHBT

近年來，隨著人們對(duì)無線通信的速率和延遲的需求不斷提高，WIFI技術(shù)已經(jīng)演變來到了WIFI6時(shí)代，其高速率、大帶寬、低延時(shí)、低功耗的特點(diǎn)受到人們的青睞。2020年，WIFI聯(lián)盟將可在6GHz頻段運(yùn)行的WIFI6設(shè)備命名為WIFI6E，原有的頻段擴(kuò)展至6GHz頻段[1]。功率放大器（PA）是WIFI終端中的一個(gè)重要器件，為了適應(yīng)在多標(biāo)準(zhǔn)通信環(huán)境中更高的數(shù)據(jù)速率，PA的線性度和多模/多頻帶能力無疑成為PA設(shè)計(jì)中更注重的問題。隨著市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，迫切需要低成本、高線性度的功率放大器，相較于高成本的GaN工藝和低功率密度的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementarymetaloxidesemiconductor，CMOS）工藝，GaAsHBT技術(shù)已成為目前商用中功率放大器的首選技術(shù)。本文所設(shè)計(jì)的功率放大器采用2μmGaAsHBT工藝，芯片面積：1.24mm×1.27mm，在5.9GHz～7.2GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)增益大于27dB，飽和輸出功率大于1W，可用于WIFI6E系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)級(jí)應(yīng)用。

1芯片電路設(shè)計(jì)與分析

1.1電路結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的功率放大器是一款適用于6GHz頻段WIFI發(fā)射端的功率放大器，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)采用三級(jí)放大結(jié)構(gòu)，工作電壓為5V，其偏置電壓可根據(jù)外圍配置在3.3～5V可調(diào)。電路第一級(jí)偏置采用A類、第二級(jí)偏置采用淺AB類功率放大器結(jié)構(gòu)以提高電路增益及線性度，第三級(jí)偏置采用深A(yù)B類功率放大器結(jié)構(gòu)來提高電路輸出功率及效率。

1.2電路設(shè)計(jì)

電路主要包含晶體管、直流偏置結(jié)構(gòu)、匹配網(wǎng)絡(luò)。

（1）直流偏置結(jié)構(gòu)

偏置電路作為放大器的重要組成部分，為電路提供直流偏置點(diǎn)，其直接影響功率放大器的增益、效率以及線性度。GaAsHBT工藝在大功率輸入下，基級(jí)-發(fā)射極電壓降低以及工藝本身的自熱效應(yīng)，導(dǎo)致晶體管工作點(diǎn)變化，引起電路增益及線性度的變化。文獻(xiàn)[2]提出一種應(yīng)用于較低頻率的自適應(yīng)線性化偏置電路，文獻(xiàn)[3]提出采用多個(gè)電容較復(fù)雜的自適應(yīng)線性化偏置結(jié)構(gòu)，能夠提高一定的輸出飽和功率。本文采用如圖2所示自適應(yīng)偏置結(jié)構(gòu)[4]。Q1、Q2構(gòu)成一個(gè)電流鏡，其電流由限流電阻R1、R2控制，Q3用于調(diào)節(jié)電流鏡的輸入，從而產(chǎn)生相等的電流。隨著輸入功率的增加，Q0的Vb0電壓降低，泄露到偏置電路的信號(hào)將通過C2旁路到地，故Q3的Vb3保持不變，由于二極管的整流效應(yīng)，Vbe3會(huì)降低，Vb3保持不變，從而補(bǔ)償了Vb0的下降，使得Q0的偏置點(diǎn)在大功率輸入下保持不變，抑制了增益壓縮。當(dāng)溫度升高時(shí)，偏置電阻Rbias及發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻R3將有效抑制Q0的自熱效應(yīng)，提高電路的穩(wěn)定性。

（2）匹配網(wǎng)絡(luò)

對(duì)頻率為ω的正弦信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，其品質(zhì)因子Q定義如下：

由式（1）得知，品質(zhì)因子正比于存儲(chǔ)的能量與網(wǎng)絡(luò)平均功耗之比。在射頻匹配網(wǎng)絡(luò)中，通常使用無源儲(chǔ)能元件電容C與電感L進(jìn)行匹配，LC網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際電路中具有一定的阻抗，其品質(zhì)因子可表示為：

從式（3）中可以看出，Q值與電路帶寬成反比，也就是說要想獲得寬帶匹配，其匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值不能太大。

對(duì)于多級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)，其第n個(gè)節(jié)點(diǎn)的品質(zhì)因子表示為：

從式（4）可以看出，電路帶寬與多級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)中Q值最大的節(jié)點(diǎn)相關(guān)，在進(jìn)行電路寬帶匹配時(shí)，要降低各級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值[5]。

輸入匹配網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)阻抗匹配理論，在一定帶寬內(nèi)的匹配，其阻抗變換比越大，匹配難度及損耗隨之增大。

在功率放大器中，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)主要影響電路的增益，對(duì)電路的線性度及效率影響較小，本文輸入匹配網(wǎng)絡(luò)采用π型網(wǎng)絡(luò)，引入一定的損耗降低匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值以改善電路的帶寬、穩(wěn)定性及增益平坦度。

級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)：第一、二級(jí)輸出阻抗差異與第二、三級(jí)輸入阻抗差異均不大，阻抗變換比較小，所以級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)相較簡(jiǎn)單。在保證電路帶寬的前提下，盡量減小匹配引入的損耗。

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)：輸出匹配網(wǎng)絡(luò)不僅影響信號(hào)功率傳輸，同時(shí)也影響功放的效率，其設(shè)計(jì)核心在于負(fù)載線匹配。本文根據(jù)負(fù)載線匹配理論仿真確定最優(yōu)輸出阻抗點(diǎn)Ropt后，采取片外匹配的方式，通過傳輸線與L型網(wǎng)絡(luò)結(jié)合實(shí)現(xiàn)負(fù)載線匹配。

（3）電路穩(wěn)定性分析

對(duì)于功率放大器這種雙端口網(wǎng)絡(luò)，其電路穩(wěn)定的K因子可表示為：

對(duì)于共射方式連接的HBT晶體管，其穩(wěn)定因子K可表示為[6]：

其中，rb為基級(jí)擴(kuò)散電阻，gm為晶體管跨導(dǎo)，fT為晶體管截止頻率，f為晶體管工作頻率，Cμ為基-集反饋電容。gm、fT、Cμ均為晶體管工藝決定，設(shè)計(jì)中一般采取基級(jí)或發(fā)射級(jí)串聯(lián)電阻、集電極基級(jí)并聯(lián)反饋等方式來提高rb使電路K因子大于1，電路無條件穩(wěn)定。

本文中采用發(fā)射級(jí)串聯(lián)電阻與集電極基級(jí)并聯(lián)反饋的形式來提高電路的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過仿真，本文電路在全頻段K因子均大于2，電路無條件穩(wěn)定。

（4）整體電路設(shè)計(jì)

本文整體電路如圖4所示，主要由3級(jí)放大結(jié)構(gòu)組成，匹配網(wǎng)絡(luò)從后往前設(shè)計(jì)，基于功率放大器的功能特性，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)主要注重功率的線性傳輸，輸入級(jí)及級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)主要保證電路的駐波、帶寬及增益等特性。

功率放大器第一級(jí)偏置設(shè)計(jì)在A類、第二級(jí)偏置設(shè)計(jì)在淺AB類以提高電路增益及線性度，第三級(jí)偏置設(shè)計(jì)在深A(yù)B類來提升電路輸出功率及效率。第一級(jí)采用6個(gè)單指HBT晶體管并聯(lián)，發(fā)射極面積240μm2;第二級(jí)采用18個(gè)單指HBT晶體管并聯(lián)，發(fā)射極面積720μm2;第三級(jí)采用36個(gè)單指HBT晶體管并聯(lián)，發(fā)射極面積2880μm2。

整體功率放大器版圖盡量為對(duì)稱布局以減小各晶體管之間的相位差對(duì)線性度的影響。根據(jù)晶體管通過電流大小，合理分布接地過孔的位置及數(shù)量。本次電路設(shè)計(jì)為片外輸出匹配的方式，方便后期根據(jù)使用目的不同而做出相應(yīng)的帶寬、功率調(diào)整。整體芯片尺寸為1.24mm×1.27mm×0.1mm。

2測(cè)試結(jié)果與分析

圖5為本文功率放大器EVB照片。功率放大器工作電壓VCC=5V，靜態(tài)電流ICC=240mA。使用是德科技網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA5242B對(duì)電路進(jìn)行小信號(hào)S參數(shù)和輸出1dB壓縮點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7所示。從圖6可以看出小信號(hào)增益在工作頻率5.9～7.2GHz內(nèi)大于27dB，輸入回波損耗小于-15dB，輸出回波損耗小于-10dB;從圖7可以看出在工作頻率內(nèi)三溫（-40℃、+25℃、+105℃）輸出1dB壓縮點(diǎn)大于29dBm，實(shí)現(xiàn)了寬帶大功率輸出，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)偏置結(jié)構(gòu)及寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。

3結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款6GHz高增益、寬帶、高線性度功率放大器單片集成電路。該功率放大器采用2μmGaAsHBT工藝，芯片面積：1.24mm×1.27mm。測(cè)試結(jié)果表明，工作頻帶為5.9～7.2GHz，工作頻帶增益典型值為29dB，輸出飽和功率>1W。該功率放大器可用于WIFI6E設(shè)備驅(qū)動(dòng)級(jí)應(yīng)用，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)應(yīng)用前景。