一款高三階交調(diào)點(diǎn)的GaAs射頻放大器

喻陽　萬開奇　周宏波

關(guān)鍵詞：射頻放大器；GaAs HBT；三階交調(diào)點(diǎn)；高線性度

隨著社會的發(fā)展，5G 通信快速發(fā)展并運(yùn)用在各個社會領(lǐng)域當(dāng)中。網(wǎng)絡(luò)直播，遠(yuǎn)程醫(yī)療，遠(yuǎn)程操控，物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域都有了日新月異的發(fā)展。與之前的4G 通信相比，載波寬帶從20 MHz 提高到了如今的100 MHz。這使得數(shù)據(jù)的傳輸速率更快，網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間成倍減少[1]。在日常生活對互聯(lián)網(wǎng)通信的要求越來越大的今天，網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)成為了，人們生活中接觸最頻繁并且最重要的組成部分。衡量人民生活幸福質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段針對5G 通信，通常采用高功率增益，高線性度的寬帶放大器對前級信號進(jìn)行預(yù)放大處理。高線性度代表著在輸入功率提高時(shí)，整個通信系統(tǒng)有更少的非線性失真。

本文采用2 μm GaAs HBT 工藝，設(shè)計(jì)了一款可工作在10 MHz～4 GHz 頻率下的高線性度高增益放大器。實(shí)際測試放大器的輸出三階交調(diào)截止點(diǎn)大于40 dBm。并且可以滿足器件的功率增益大于20 dB，輸出1 dB 壓縮點(diǎn)大于20 dBm。器件測試參數(shù)結(jié)果滿足5G 通信要求，可應(yīng)用于手機(jī)基站、無線圖像傳輸?shù)韧ㄐ畔到y(tǒng)當(dāng)中。

1 理論分析與電路設(shè)計(jì)

1.1 電路結(jié)構(gòu)

異質(zhì)結(jié)晶體管 （Heterojunction Bipolar Transistor，HBT）。在目前主流的砷化鎵材料器件中，HBT 因具有很強(qiáng)的電流放大能力，從而被越來越多應(yīng)用到放大器的設(shè)計(jì)當(dāng)中。HBT 的集電極（C）、基極（B）、發(fā)射極（E）使用不同材料制成，所以被稱做異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件。使用了更薄的基極材料HBT 的晶體管禁帶更寬，發(fā)射極的注入效率提高，所以使晶體管的截止頻率變大，功率增益更高。晶體管的電流是垂直走向，所以具有很高的電流密度，因?yàn)镠BT 具備的這些特點(diǎn)，所以本文選擇采用HBT 工藝對放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

達(dá)林頓結(jié)構(gòu)是一個將晶體管串接起來的結(jié)構(gòu)。將第1 個晶體管的發(fā)射極接到第2 個晶體管的基極，集電極相互連接。這樣的鏈接結(jié)構(gòu)可以提高放大器增益的晶體管結(jié)構(gòu)。如圖1 所示，Q1，Q2 晶體管組成了一個共集-共射結(jié)構(gòu)，這就是一個簡單的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)[2]。與典型的單管放大結(jié)構(gòu)相比，加入了晶體管Q1，可以提高電流增益并且增大輸入阻抗。

與典型的放大結(jié)構(gòu)相比，達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有：輸入阻抗高；帶寬較大，成本低；結(jié)構(gòu)簡單不需要復(fù)雜匹配，面積小。按照圖1 所連接的情況，該結(jié)構(gòu)總的電流增益為是[3]：

這使得達(dá)林頓結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的電流放大能力，較高的功率增益，并且有良好的增益平坦度。利用這個特性我們可以用這個結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)高增益高線性度的放大器。所以本文選擇以達(dá)林頓結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化后對此款放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 電路設(shè)計(jì)

對于寬帶放大器而言，線性度是一個可以評價(jià)性能的重要參數(shù)指標(biāo)。在設(shè)計(jì)放大器時(shí)使用的晶體管是非線性的，當(dāng)在小信號情況下，晶體管的輸出信號與輸入信號呈現(xiàn)線性的關(guān)系，此時(shí)可以忽略放大器的非線性。但當(dāng)輸入信號功率變大或者信號頻率增加的時(shí)候，輸出信號的非線性會表現(xiàn)的很明顯。其中主要包括增益降低，諧波失真，交調(diào)失真等非線性情況。

1.3 仿真設(shè)計(jì)

為了提高放大器的線性度，設(shè)計(jì)時(shí)在前文介紹的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了偏置結(jié)構(gòu)。晶體管Q1 與電阻R1，R2，R3 組成的偏置結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定電路的直流偏置點(diǎn)，提高電路的線性度。同時(shí)可以使得電路在高溫和低溫狀態(tài)下的工作性能可以盡量與常溫狀態(tài)下保持一致。Q₂與Q₃，Q₄～Q₉晶體管組成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。因?yàn)楣β瘦^高第二級晶體管上需要通過較大的電流，所以在設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了并聯(lián)晶體管的方式，降低了每個晶體管上通過的電流，降低可能因?yàn)殡娏鬟^大的產(chǎn)生的熱效應(yīng)，提高晶體管的耐功率裕度，并且并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以降低電路的噪聲系數(shù)。電阻R₆～R₁₃在晶體管的發(fā)射極連接到地電位，起到負(fù)反饋的作用[5]。電路基本結(jié)構(gòu)原理圖如圖3 所示。

Q₂，Q₃晶體管的尺寸選擇1.9 μm×8 μm， Q₄～Q₉的尺寸原則為2 μm×10 μm。因?yàn)榈诙壘w管為并聯(lián)，所以面積大約是第一級放大器的3.9 倍[6]。Q₁的尺寸選擇1.6 μm×6 μm，從仿真過程中看，減小面積可以提高放大器的線性度。并且它的基級與第二級晶體管基級相連，保證了溫度變化下的直流特性。在繪制版圖時(shí)合理布局最終得到的芯片尺寸為0.56 mm×0.61 mm。

2 測試與驗(yàn)證分析

電路采用SOT89 塑封封裝管殼，應(yīng)用驗(yàn)證板如圖4。測試條件為電源電壓VCC = 5 V。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對電路進(jìn)行三階交調(diào)截止點(diǎn)等參數(shù)進(jìn)行測試，三階交調(diào)點(diǎn)測試曲線如圖5。器件的工作頻率為10 MHz～4 GHz。在輸入信號100 MHz ～1 GHz 范圍內(nèi)，輸出三階交調(diào)點(diǎn)超過40 dBm。且能夠保證功率增益達(dá)到20 dB，且增益曲線平坦，輸出1 dB 壓縮點(diǎn)達(dá)到21 dBm，電路在大功率輸入情況下也擁有較好的線性度。測試結(jié)果表明實(shí)際測試與仿真結(jié)果基本一致，電路實(shí)現(xiàn)了高三階交調(diào)點(diǎn)。說明本文中采用的以達(dá)林頓結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，添加偏置結(jié)構(gòu)對電路進(jìn)行優(yōu)化的方法可行有效。

3 結(jié)束語

本文基于達(dá)林頓晶體管放大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款高增益高三階交調(diào)點(diǎn)的射頻放大器。使用2 μm GaAs HBT 工藝流片設(shè)計(jì)，對晶體管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了工作帶寬，利用HBT 晶體管搭建的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)抑制了三階諧波分量，提高了OIP₃ 參數(shù)，輸出三階交調(diào)點(diǎn)40 dBm，提升了電路的線性度。此時(shí)功率增益達(dá)到20 dB，且增益曲線平坦，輸出1 dB 壓縮點(diǎn)達(dá)到21 dBm。電路滿足5G通信使用頻率并具有高增益，高線性度的特點(diǎn)，可用于通信收發(fā)鏈路當(dāng)中，具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。