基于GaAs pHEMT 工藝的S 波段高增益驅(qū)動(dòng)放大器的設(shè)計(jì)研究*

林 倩，陳思維，鄔海峰，胡單輝，陳依軍，胡柳林

(1.青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院,青海 西寧 810007；2.成都嘉納海威科技有限公司,四川 成都 610000)

隨著無線通信技術(shù)和微波集成電路工藝的進(jìn)步,電子通信設(shè)備正向著小型化、輕量化和低成本等方向快速演進(jìn)。與此同時(shí),作為射頻收發(fā)機(jī)的關(guān)鍵部件的射頻驅(qū)動(dòng)放大器(Radio Frequency Drive Amplifier,RFDA)也隨之產(chǎn)生了一系列的變革。單片微波集成電路(Mono-lithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)[1-2]相對于傳統(tǒng)的射頻電路,具有體積小、重量輕、可靠性高、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為射頻收發(fā)前端電路的首要選擇[3]。同時(shí),隨著半導(dǎo)體工藝的快速發(fā)展,砷化鎵贗匹配型高電子遷移率晶體管(GaAs Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor,GaAs pHEMT)中,InGaAs 層起了非摻雜GaAs 層的作用,GaAs pHEMT 可以在更低溫度下工作,提供更大的電流密度和電子遷移率,使得工作頻率和增益有所提高[4-5]。相比Si、SiC、GaN 及其他工藝,GaAs pHEMT具有更高的電子遷移率和優(yōu)異的功率性能,其廣泛應(yīng)用于MMIC DA 的設(shè)計(jì)與制造。

本文基于GaAs 工藝,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款S 波段高增益單片微波驅(qū)動(dòng)放大器,其應(yīng)用背景為5G 無線通訊系統(tǒng)中Sub-6 GHz 頻段的驅(qū)動(dòng)放大器。測試結(jié)果表明,該DA 小信號增益(S21)達(dá)26 dB,輸出三階交調(diào)點(diǎn)(OIP3)為30.5 dBm,飽和輸出功率(Psat)為26.5 dBm,最大功率附加效率(PAE)為25%。

1 電路設(shè)計(jì)

該電路的電路原理圖如圖1 所示。為滿足25 dB 增益、90 mA 靜態(tài)電流的設(shè)計(jì)目標(biāo),電路采用了基于負(fù)反饋技術(shù)的Cascode 放大器驅(qū)動(dòng)共源放大器的雙級放大結(jié)構(gòu)。Cascode 電路結(jié)構(gòu)可以降低結(jié)電容的米勒效應(yīng)[4]對寬帶的影響,提高增益的同時(shí)又改善了頻率特性,從而可實(shí)現(xiàn)高增益、高速度和寬頻帶；結(jié)合電阻電容負(fù)反饋結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更好的輸入輸出匹配和反向隔離度[6-7]。驅(qū)動(dòng)級Cascode 的晶體管M3、M2尺寸為6×100 μm。驅(qū)動(dòng)級放大器電路的閉環(huán)增益Av1為:

圖1 GaAs MMIC DA 電路原理圖

其中Zload為前級DA 晶體管的輸出負(fù)載阻抗,gm1為驅(qū)動(dòng)級晶體管的跨導(dǎo)。為了實(shí)現(xiàn)DA 的高線性度與最佳的輸出匹配電路,末級放大電路選擇了高線性度的共源放大結(jié)構(gòu)[6,10]。其中末級共源放大結(jié)構(gòu)由晶體管M5至M8組成,尺寸均為8×100 μm,以實(shí)現(xiàn)1 dB 壓縮點(diǎn)(P1dB)大于27 dBm 的目標(biāo),末級放大電路的閉環(huán)電壓增益為Av2為:

其中,Zload2為末級DA 晶體管的輸出負(fù)載阻抗,gm2為晶體管的跨導(dǎo)。其中忽略供電扼流電感L13的影響后,Zload2為:

為了減少非線性失真,降低電路的溫度敏感性[10],該驅(qū)動(dòng)放大器采用了如圖1 所示的有源偏置電路,其中驅(qū)動(dòng)級偏置電路主要由晶體管M1,整流電阻R2和R3和旁路電容C3組成；末級柵極偏置電路主要由晶體管M4,整流電阻R7和R8,旁路電容C9組成。這兩個(gè)偏置電路中晶體管的電壓電流會(huì)隨著輸入功率的增大而增大,從而對驅(qū)動(dòng)放大器的增益壓縮和線性失真[8]進(jìn)行相應(yīng)的損耗補(bǔ)償[10-11]。

基于負(fù)反饋技術(shù)的Cascode 放大器驅(qū)動(dòng)共源放大器的雙級放大結(jié)構(gòu)可以顯著提升電路的增益。

2 電路測試

為了驗(yàn)證DA 的實(shí)際性能,這里對加工好的芯片進(jìn)行了常溫下的性能測試,包括小信號和大信號測試。電路測試夾具和加工實(shí)物如圖2 所示。

圖2 電路測試夾具和實(shí)物

DA 的S 參數(shù)測試曲線如圖3 所示。由圖可得,其小信號增益S21在2.5 GHz～4.2 GHz 頻帶范圍內(nèi)為26±0.5 dB；S11在頻段內(nèi)小于-7.5 dB,S22小于-6.5 dB。

圖3 S parameters 曲線

測得該DA 的輸出功率(Pout)、功率增益(Gain)及PAE(%)曲線如圖4 所示。由圖可得,頻段內(nèi)電路的飽和輸出功率達(dá)26.5 dBm,Gain 在頻段內(nèi)保持23±0.5 dB,最大PAE 在頻率為3 GHz 處為25%。

圖4 Pout,Gain 和PAE 曲線

DA 在不同頻點(diǎn)下的Pout、Gain 及PAE 隨輸入功率Pin的變化曲線如圖5 所示。由圖可得,在頻率為3.2 GHz 時(shí),增益達(dá)最大值27.5 dB；在頻率為4 GHz 時(shí),PAE 達(dá)最大值26.5%。

圖5 不同頻點(diǎn)Pout、Gain 及PAE 曲線

該DA 的三階交調(diào)(OIP3)隨頻率的變化曲線如圖6 所示。由圖可以看出,在2.5 GHz～4.2 GHz頻帶內(nèi)OIP3 的值大于27.5 dBm,且最大值達(dá)30.5 dBm,表明該DA 具有良好的線性度。

圖6 OIP3 曲線

為了驗(yàn)證該DA 特性指標(biāo)的優(yōu)劣性,表1 給出了該DA 與其他相近頻段同工藝DA 特性指標(biāo)的比較,從中可以看出本文提出的GaAs MMIC DA 具有高增益和高線性度。

表1 GaAs MMIC DA 性能比較

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于GaAs pHEMT 工藝的S 波段高增益、高線性單片微波驅(qū)動(dòng)放大器的設(shè)計(jì)、加工和實(shí)測結(jié)果。通過采用共源共柵雙級放大結(jié)構(gòu),該DA 小信號增益為26 dB,輸入回波損耗小于-7.5 dB,輸出回波損耗小于-6.5 dB,輸出三階交調(diào)點(diǎn)(OIP3)達(dá)30.5 dBm,功率增益(Gain)為25 dB,飽和輸出功率為26.5 dBm。該芯片實(shí)測結(jié)果可以滿足5G 無線通訊系統(tǒng)中Sub-6GHz 頻段的典型驅(qū)動(dòng)功率放大的指標(biāo)要求,具有廣泛的市場應(yīng)用前景。