一款基于SiGe工藝的寬帶射頻驅(qū)動放大器

摘" 要： 為了降低溫漂效應(yīng)對放大器的影響，通過理論分析，設(shè)計了一款集成有溫度補(bǔ)償直流偏置網(wǎng)絡(luò)的寬帶射頻驅(qū)動放大器。為了提高增益和輸出功率，電路采用兩級差分共射?共基極（cascode）結(jié)構(gòu)，輸出端口集成了一款結(jié)構(gòu)新穎的差分轉(zhuǎn)單端Marchand巴倫，同時基于0.18 μm SiGe BiCMOS高性能異質(zhì)結(jié)雙極晶體管工藝進(jìn)行設(shè)計。電磁仿真結(jié)果顯示，在8～16 GHz的頻帶范圍內(nèi)，放大器的增益gt;26 dB，輸出1 dB功率壓縮點≥10 dBm，飽和輸出功率≥13 dBm，端口回波損耗≤-10 dB，-40～125 ℃范圍內(nèi)同頻點增益浮動≤1.5 dB。所設(shè)計的驅(qū)動放大器電路性能穩(wěn)定，2.8 V電源工作電流為45 mA，尺寸僅為0.50 mm×0.58 mm，實現(xiàn)了SiGe放大器高性能、小型化的設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞： 驅(qū)動放大器； 寬帶射頻； SiGe工藝； 溫度補(bǔ)償； 共射?共基極（cascode）結(jié)構(gòu)； Marchand巴倫； 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管

中圖分類號： TN454?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2025）02?0014?07

A broadband RF DA based on SiGe technology

ZHANG Bin， JIANG Yingdan， QUAN Shuaichao， WANG Baikang， SUN Shasha， QIN Zhanming， SUN Wenjun

（The 58th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Wuxi 214035， China）

Abstract： In order to reduce the influence of temperature drift on amplifiers， a broadband RF driver amplifier （DA） with integrated temperature compensated DC bias network is designed by means of the theoretical analysis. In order to improve the gain and output power， the two?stage differential common emitter common base （cascode） structure is adopted， and a novel differential conversion single?ended Marchand balun is integrated into the output port. The circuit is designed based on the 0.18 μm Silicon Germanium （SiGe） BiCMOS high?performance heterojunction bipolar transistor （HBT） process. The electromagnetic simulation results show that in the frequency band range of 8～16 GHz， the gain of the amplifier is greater than 26 dB， the output 1 dB power single compression point is ≥10 dBm， the saturation output power is ≥13 dBm， the port return loss is ≤-l0 dB， and the gain of the same frequency point within the range of -40 ℃ to 125 ℃ is ≤1.5 dB. The performance of the designed DA is stable， and the working current of the 2.8 V power supply is 45 mA， and the circuit area is only 0.50 mm×0.58 mm， which can realize the design requirements of high performance and miniaturization of SiGe amplifier.

Keywords： driver amplifier; broadband RF; SiGe process; temperature compensation; common emitter common base （casode） structure; Marchand balun; heterojunction bipolar transistor

0" 引" 言

在射頻/微波系統(tǒng)中，放大器是最常見的有源器件。作為無線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)中“承前啟后”的核心部件，驅(qū)動放大器（Driver Amplifier， DA）的主要功能是將發(fā)射機(jī)中前級包括衰減器、移相器、混頻器、開關(guān)、濾波器等無源電路所產(chǎn)生的功率損耗予以補(bǔ)償，并提高到足以驅(qū)動發(fā)射機(jī)末級大功率放大器飽和輸出[1]。

目前設(shè)計驅(qū)動放大器的主流工藝有GaAs、GaN、InP等Ⅲ/Ⅴ族化合物贗配高電子遷移率晶體管（PHEMT）工藝、 CMOS工藝以及SiGe BiCMOS異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）工藝[2]。GaAs、GaN、InP等Ⅲ/Ⅴ族工藝因其固有的諸多優(yōu)勢，包括高功率密度、高飽和電子速率、易寬帶匹配和良好的環(huán)境適應(yīng)能力等，非常適合設(shè)計大功率放大器，但存在價格高昂且不易與衰減器、移相器、混頻器、開關(guān)、濾波器等無源電路集成在同一片內(nèi)[3]的不足。CMOS工藝具有成本較低、易于集成等優(yōu)勢，但是噪聲和線性度較差[4]。相比而言，SiGe BiCMOS工藝不僅具有CMOS工藝易于集成的特點，還具有可與GaAs等Ⅲ/Ⅴ族化合物工藝相比擬的性能優(yōu)勢，是設(shè)計射頻芯片具有高性價比的折中選擇[5]。

目前對射頻驅(qū)動放大器的研究多集中在頻率和功率兩方面，對高低溫環(huán)境下放大器的射頻性能研究較少。本文以實際項目需求為背景，基于0.18 μm SiGe BiCMOS高性能異質(zhì)結(jié)雙極晶體管工藝，采用兩級巴倫匹配的差分式共射?共基極（cascode）電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種集成溫補(bǔ)偏置電路的8～16 GHz驅(qū)動放大器。

1" 整體設(shè)計方案

驅(qū)動放大器的整體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由有源電路、巴倫電路和帶溫度補(bǔ)償?shù)闹绷髌秒娐啡糠謽?gòu)成。有源電路是驅(qū)動放大器的主放大單元。射頻差分信號由RFin+和RFin?端口進(jìn)入有源電路進(jìn)行放大，差分輸出信號通過巴倫實現(xiàn)阻抗匹配和差分單端轉(zhuǎn)換。偏置電路為有源電路中的放大管提供所需的偏置電壓。

2" 有源電路設(shè)計

2.1" cascode基本結(jié)構(gòu)

使用雙極晶體管設(shè)計單端放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，最常見的有共基極（CB）、共發(fā)射極（CE）和共集電極（CC）三種[6]。共集電極沒有放大能力，通常作為放大器的緩沖極。因此目前主流放大器的設(shè)計主要選取共射結(jié)構(gòu)、共基結(jié)構(gòu)以及共射?共基極（cascode）結(jié)構(gòu)。相比單管共射結(jié)構(gòu)、共基結(jié)構(gòu)而言，cascode結(jié)構(gòu)兼具二者的優(yōu)點，包括更高的增益、更高的輸出電壓擺幅以及更大的輸出功率[7]。

圖2展示了典型的cascode放大器拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，其中圖2a）是單端cascode放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖2b）是差分cascode放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與單端cascode結(jié)構(gòu)相比，差分cascode結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的環(huán)境噪聲抗干擾能力[8]，不但可以消除電路中的二次諧波，還能提高增益、實現(xiàn)功率合成，并提升放大器的效率。

以差分cascode結(jié)構(gòu)為例，圖2b）中電路呈對稱結(jié)構(gòu)，其中三極管Q1、Q3是共發(fā)射極連接，Q2、Q4是共集電極連接。圖2中：Cin和Cout分別是輸入端口和輸出端口的射頻隔直電容；Cb2是共基極管的基極濾波電容；L1是加電端扼流電感，起到穩(wěn)定電流的作用；Le是發(fā)射極退化電感，主要作用是匹配輸入阻抗，抵消晶體管電容性的電抗成分；Vb1與Vb2分別為Q1、Q3與Q2、Q4的基極電壓。

電路中，Q2和Q4器件的基極電位Vb2是固定的，若Q1和Q3器件的集電極電位升高，Q2和Q4器件的基極?發(fā)射極間電壓減小，會使得Q1和Q3器件的集電極電壓保持一定，從而實現(xiàn)反饋。因此，差分cascode結(jié)構(gòu)不僅能夠提高Q1和Q3的集電極電導(dǎo)，而且Q1和Q3的集電極電位也沒有很大變化，還可以抑制基于電容耦合的輸入側(cè)信號泄露[9]。

2.2" 有源完整電路

單級差分cascode電路的增益、帶寬因晶體管特性限制，無法滿足8～16 GHz高性能的設(shè)計要求。為了提高增益、拓展帶寬，本文設(shè)計采用級聯(lián)增益帶寬擴(kuò)展技術(shù)[10]，將兩組增益峰值不在同一頻點上的差分cascode放大器級聯(lián)起來，再通過調(diào)整級間無源元件來優(yōu)化帶內(nèi)增益平坦度。有源電路的整體電路圖如圖3所示。為了匹配放大器輸出阻抗，在cascode的集電極引入電感L2、L3、L4。為了提升電路的穩(wěn)定性，在兩級電路中分別加入由Rf1、Cf1和Rf2、Cf2構(gòu)成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)?？紤]到米勒效應(yīng)，第一級負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)在放大器輸入端口的等效阻抗[11]Rmiller可表示為：

[Rmiller=Rf11+Av1] （1）

式中[Av1]為第一級放大單元的開環(huán)增益。[Rmiller]降低了從輸入端口看到的阻抗實部，因此第一級負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)能夠有效優(yōu)化輸入端口的回波損耗。

2.3" 偏置電壓分析

由于cascode結(jié)構(gòu)中起主放大作用的是共射管，因此需先確定共射管的基極電位。圖4是0.2 μm×6.2 μm×1的雙極型晶體管共發(fā)射極連接及電特性曲線。圖4b）是中心頻率為12 GHz時增益隨基極電壓Vbe的變化曲線，圖4c）為晶體管在不同基極電壓下的I?V變化曲線?？芍?dāng)Vbe=1.04 V時，晶體管的電特性最優(yōu)。因此取圖3有源電路完整電路中共射管的基極偏置電壓Vb1=1.04 V。

cascode結(jié)構(gòu)的一個重要特性就是輸出阻抗很高，遠(yuǎn)大于單個共射管的輸出阻抗。同時由于一般共基管能夠確定的交流輸入電壓擺幅小于共射管，因此cascode結(jié)構(gòu)放大器的線性度主要取決于共基管。共基管的基極偏置電壓通過調(diào)節(jié)cascode的膝電壓來影響放大器的線性度[12]。

cascode的膝電壓Vknee可表示為：

[Vknee=Vb2-Vbe（on）]" " " （2）

式中Vbe（on）是晶體管的導(dǎo)通電壓，工藝限定為0.7 V。從式（2）可以看出，Vb2的取值直接決定了膝電壓Vknee的大小，膝電壓偏高會使cascode結(jié)構(gòu)的輸出電壓擺幅下降，膝電壓太小又會直接影響共發(fā)射極管的工作狀態(tài)。最終通過迭代仿真，優(yōu)化得到Vb2=1.4 V。

由于cascode結(jié)構(gòu)中共基管的基極電位是固定的，且共基管的基極阻抗較小，所以可得共基管集電極電位Vc的最大擺幅為：

[Vc，max=Vb2+Vcbo]" " " "（3）

式中Vcbo是發(fā)射極開路時基極和集電極之間的擊穿電壓，工藝限定為6 V。

由式（2）、式（3）可推導(dǎo)出cascode結(jié)構(gòu)理論上的輸出電壓最大擺幅（單位為V）為：

[Vo，max=Vc，max-Vknee2=3.35]" "（4）

考慮到電路的可實現(xiàn)性，實際中的輸出電壓擺幅要低于理論最大擺幅。

發(fā)射極連接及電特性曲線

本文設(shè)計電源電壓為2.8 V，由此根據(jù)式（5）可知輸出電壓擺幅為2.1 V，根據(jù)式（6）可計算出負(fù)載阻抗為50 Ω時的最大飽和輸出功率[13]為16.4 dBm，符合設(shè)計要求。

[Vo=Vcc-Vknee]" " " " （5）

[Psat=V2o2RLoad]" " " " （6）

最終取共射極偏置電壓Vb1、Vb3為1.04 V，共基極偏置電壓Vb2、Vb4為1.40 V。為了提高放大器增益，第一級晶體管尺寸取0.2 μm×6.2 μm×2；為了提高放大器的末級輸出功率，第二級晶體管的尺寸取0.2 μm×6.2 μm×4。

3" 巴倫設(shè)計

巴倫是一種非平衡?平衡轉(zhuǎn)換電路模塊，可將單端信號轉(zhuǎn)化為幅度相等但相位差為180°的差分信號。巴倫廣泛應(yīng)用于如混頻器、放大器等射頻微波差分電路設(shè)計之中。巴倫按結(jié)構(gòu)可分為有源巴倫和無源巴倫[14]。有源巴倫由晶體管組成，設(shè)計復(fù)雜，帶寬較窄；與之相比，無源巴倫尺寸小、設(shè)計簡單，適用于超寬帶、高頻帶電路設(shè)計。

本文中采用無源Marchand巴倫。Marchand巴倫是一種易于片上集成的平面無源器件，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作頻帶寬的優(yōu)點[15]。

圖5所示為Marchand巴倫原理圖，Port1是單端信號端口，Port2、Port3分別是等幅反相的差分信號端口。圖5a）是傳統(tǒng)的Marchand巴倫拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖5b）是改進(jìn)后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)巴倫結(jié)構(gòu)的開路端添加了接地尾電容Cr，該電容能夠調(diào)節(jié)單端信號端口的阻抗特性；兩個差分端口Port2與Port3之間引入了隔離電容Cp1與Cp2，可以調(diào)整差分信號端口間的相位差，優(yōu)化幅相一致性[16]。

無源Marchand巴倫的版圖采用了同層平面螺旋間隔互繞式結(jié)構(gòu)，如圖6a）所示。圖6b）、圖6c）為該巴倫版圖仿真參數(shù)，在8～16 GHz內(nèi)，插損lt;6 dB，幅度一致性lt;0.5 dB，相位一致性lt;5°，性能良好，滿足設(shè)計要求。

4" 帶溫度補(bǔ)償?shù)闹绷髌秒娐?/p>

無線通信系統(tǒng)需要具有在-40～125 ℃環(huán)境中正常工作的能力。由于射頻管正常工作時會產(chǎn)生熱耗，導(dǎo)致電路溫度升高，當(dāng)環(huán)境溫度上升或下降時，如果保持偏置電壓固定，會導(dǎo)致驅(qū)動放大器中的電流在高溫下突然增加，進(jìn)而引起晶體管工作狀態(tài)的突然變化和放大器的輸出功率的顯著惡化[17]。根據(jù)晶體管的熱效應(yīng)可知，溫度每增加1 ℃，晶體管的導(dǎo)通電壓會降低2～2.5 mV，從而導(dǎo)致晶體管的基極電流和集電極電流增大。

為了確保驅(qū)動放大器的射頻性能穩(wěn)定，不隨環(huán)境溫度的變化而變化，文中設(shè)計了一種具有溫度補(bǔ)償特性的自適應(yīng)偏置網(wǎng)絡(luò)，其電路圖如圖7所示。帶隙基準(zhǔn)bandgap為偏置電路提供的基準(zhǔn)電流Iref，當(dāng)溫度升高時，三極管Q1的導(dǎo)通電壓降低，基極電流升高，Iref隨之升高，使得R3上的壓降增大，這會導(dǎo)致三極管Q2的基極電位降低，進(jìn)一步使得輸出電壓Vb1降低，從而使得通過Vb1流經(jīng)射頻晶體管的基極電流減小，最終降低射頻晶體管的集電極電流，實現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

圖8所示為偏置電壓隨溫度變化曲線，可以看出輸出電壓Vb1隨溫度的升高而緩慢下降，從而實現(xiàn)放大器增益溫度補(bǔ)償。

5" 版圖設(shè)計與仿真結(jié)果分析

本文設(shè)計的驅(qū)動放大器是一種多通道射頻收發(fā)、多功能芯片發(fā)射的末級放大器。綜合考慮整個收發(fā)多功能芯片的版圖排列方式，并確?？臻g耦合和空間利用率達(dá)到最佳，合理布局搭建電路，得到最終放大器電路版圖，如圖9所示。放大器電路核心面積僅為0.5 mm×0.58 mm，內(nèi)部包含了有源電路、無源Marchand巴倫以及帶溫度補(bǔ)償?shù)闹绷髌镁W(wǎng)絡(luò)。

放大器的2.8 V電源工作電流為45 mA，整版后仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10a）可以看出，在8～16 GHz通帶內(nèi)，增益≥26 dB，帶內(nèi)平坦度≤3 dB，輸入端口回波損耗≤-10 dB，輸出端口回波損耗≤-10 dB。圖10b）為在125 ℃、-40 ℃和常溫27 ℃的增益曲線，結(jié)合圖10c）中12 GHz時增益隨溫度在-40～125 ℃范圍內(nèi)的變化曲線可得：同頻點增益高低溫浮動≤1.5 dB；由圖10d）可以看出輸出P1≥10 dBm，輸出Psat≥13 dBm，結(jié)合圖10e）中12 GHz時輸出P1隨溫度在-40～125 ℃范圍內(nèi)的變化曲線可得：同頻點輸出P1高低溫浮動≤1.2 dB；圖10f）是放大器高低溫及常溫下的穩(wěn)定系數(shù)Kf值，由Kf值遠(yuǎn)大于1可知電路性能非常穩(wěn)定。

6" 結(jié)" 論

本文通過對射頻放大器的理論分析，基于SiGe BiCMOS工藝，經(jīng)過射頻/微波電磁仿真，設(shè)計了具有增益溫度補(bǔ)償?shù)膶拵?qū)動放大器。電路采用了差分cascode結(jié)構(gòu)，內(nèi)部除了有源電路外，還集成了一款結(jié)構(gòu)新穎的無源Marchand巴倫以及具有溫度補(bǔ)償?shù)闹绷髌镁W(wǎng)絡(luò)。在8～16 GHz的頻帶內(nèi)，增益大于26 dB，輸出P1≥10 dBm，-40～125 ℃范圍內(nèi)增益浮動≤1.5 dB。該電路性能穩(wěn)定，在大規(guī)模多通道射頻收發(fā)系統(tǒng)中有非常高的實用價值。

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