一種帶非線性補償?shù)膶拵aAs HBT驅(qū)動功率放大器設計

黃 亮，朱 海，要 栗

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

0 引言

隨著第五代移動通信系統(tǒng)（5G）的大規(guī)模應用，驅(qū)動功率放大器成為移動通信系統(tǒng)發(fā)射鏈路不可缺少的器件之一。為了滿足各種通信協(xié)議所覆蓋的頻率范圍[1]，射頻前端需要通過多路射頻放大通路，通過開關切換來實現(xiàn)需求。此外，5G 基站應用對驅(qū)動放大器提出了更大輸出功率、更寬工作帶寬以及更高工作效率的要求。

本文介紹一個工作在4～6 GHz 頻段，基于GaAs HBT 工藝的三級驅(qū)動功率放大器電路設計?；贕aAs HBT 晶體管大信號的非線性特性，本文分析了有源偏置電路進行大信號非線性補償?shù)脑?，并通過調(diào)整三級放大級非線性補償提升放大器輸出功率線性度，還采用微帶線與集總元件結(jié)合的輸出匹配網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)寬帶大信號輸出。經(jīng)流片后芯片測試驗證，測試結(jié)果良好，實現(xiàn)了驅(qū)動放大器寬帶、高線性度信號的輸出。

1 電路設計與分析

1.1 偏置電路

GaAs HBT 晶體管正常工作時，其基-發(fā)射結(jié)具有二極管整流特性。隨著射頻輸入信號的增大，晶體管進入飽和區(qū)后，大信號的消減等效二極管整流特性，其基-發(fā)射結(jié)電壓差（Vbe）減小，進而跨導減小，最終導致輸出信號的增益壓縮和失真。另外，GaAs HBT 晶體管具有熱敏感特性，晶體管特性受自熱效應以及環(huán)境溫度影響明顯[2]。

因此，本文采用帶有溫度補償模塊的片上有源偏置電路[3]，如圖1 所示。該偏置電路包含溫度補償電路和非線性補償電路。溫度補償模塊由電阻Rt 和晶體管Q2、晶體管Q3 形成的溫度特性負反饋網(wǎng)絡，在高低溫下補償偏置電路偏置電流的變化。電容C1、晶體管Q1 和鎮(zhèn)流電阻Rb 構(gòu)成非線性補償網(wǎng)絡，可以通過調(diào)試電容C1 和鎮(zhèn)流電阻Rb，對放大器進行增益擴展或者增益壓縮補償，改善放大器大信號時的非線性，提升輸出線性度。

1.2 三級放大器非線性補償分析

驅(qū)動功率放大器的線性度可以通過三階交調(diào)失真（IMD3）指標體現(xiàn)。因此，分析三級放大器級聯(lián)之后的非線性機理，可以對放大器設計起到指導作用。對一個三級放大器進行Volterra 級數(shù)展開后，各級的非線性轉(zhuǎn)移特性表達式[4]可表示為：

式中：V1,in(t)，V2,in(t)，V3,in(t)和V1,out(t)，V2,out(t)，V3,out(t)分別表示放大器各級的輸入電壓信號和輸出電壓信號，ai，bi和ci分別是各級Volterra 級數(shù)展開后的各項次系數(shù)，這些系數(shù)均為包含相位信息的復數(shù)。

假設放大器第一級輸入信號為：

式中：A是輸入信號的電壓幅度，ω1和ω2分別是輸入信號的中心頻率。通過公式推導，第三級輸出的基頻電壓信號以及三階交調(diào)信號可以表示為：

以上公式推導結(jié)果忽略了高次項。從式（6）可以看出，第三級輸出的三階交調(diào)信號由各級產(chǎn)生的IM3 電壓信號矢量相加得到。根據(jù)各級的Volterra級數(shù)展開式可知，在式（6）中，如果a3/a1，b3/b1，c3/c1都為正，則輸出信號將會有一定的增益擴展；相反，輸出信號則會有一定的增益壓縮。經(jīng)過分析可知，通過優(yōu)化各級偏置電路，可有效改善IMD3。其中，第一級的非線性補償對總體線性度影響最大。

1.3 寬帶輸出匹配網(wǎng)絡設計

功率放大器輸出匹配網(wǎng)絡決定了輸出信號的工作帶寬以及輸出功率[5]。根據(jù)RLC 匹配網(wǎng)絡的3 dB 帶寬理論，匹配網(wǎng)絡的帶寬與匹配網(wǎng)絡節(jié)點的品質(zhì)因子Q 值成反比?；趥鹘y(tǒng)的LC 集總元件的L 型匹配結(jié)構(gòu)，相比使用微帶線與電容形成的L 型匹配結(jié)構(gòu)，同樣Q 值下阻抗可變化范圍更小。使用本文所采用的微帶線與電容結(jié)合的L 型匹配結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)更高的阻抗變換比，提升匹配網(wǎng)絡帶寬。

2 三級驅(qū)動功率放大器的實現(xiàn)

基于以上的理論分析和電路優(yōu)化思路，設計一個基于GaAs HBT 工藝，工作頻率在4～6 GHz 的三級驅(qū)動功率放大器，原理結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，各級偏置電路均采用圖1 所示結(jié)構(gòu)，輸入匹配網(wǎng)絡和兩級間匹配網(wǎng)絡均采用兩級LC 級聯(lián)結(jié)構(gòu)以保證寬帶特性。

圖2 三級驅(qū)動功率放大器原理圖

本文設計的三級驅(qū)動功率放大器使用2 μm GaAs HBT 工藝成功進行流片。原理圖僅輸出匹配網(wǎng)絡采用片外實現(xiàn)，以便于調(diào)試。該裸芯片（die）的尺寸為1 200 μm×1 250 μm。放大器各級放大管面積分別為360 μm2、960 μm2和3 600 μm2。為了進行芯片性能評估測試，將裸芯片直接貼裝到PCB 板上，然后再鍵合、測試。測試板局部照片如圖3 所示。片外輸出匹配網(wǎng)絡如圖3 中方框區(qū)域所示。

圖3 芯片測試板局部照片

3 測試結(jié)果與分析

放大器的電源電壓為5.0 V。各級靜態(tài)工作電流分別為38 mA、70 mA 和152 mA。使用安捷倫的網(wǎng)絡分析儀PNA5242A 對電路分別進行小信號S參數(shù)測試和輸出功率1 dB 壓縮點（P-1dB）測試。測試結(jié)果分別如圖4 和圖5 所示。

從圖4 中可以看出，常溫下，在頻率4～6 GHz 范圍內(nèi)，小信號測試結(jié)果良好，實現(xiàn)了寬帶小信號輸出，其中主要頻率范圍增益超過30 dB。圖5 中，輸出P-1 dB 三溫（-40 ℃，25 ℃和105 ℃）測試結(jié)果在頻率4～6 GHz 范圍內(nèi)，三溫下輸出P-1 dB 基本在30 dBm 以上，實現(xiàn)了寬帶大信號輸出，驗證了本文所設計的寬帶輸出匹配網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

圖4 放大器小信號S 參數(shù)測試結(jié)果

圖5 輸出P-1dB 三溫測試結(jié)果

在頻率點5.9 GHz 處，采用連續(xù)波，信號間隔1 MHz，常溫輸出功率線性度OIP3 測試結(jié)果如圖6所示。輸出功率在24 dBm 以下OIP3 超過34 dBm；在輸出功率24 dBm 處，OIP3 達到了43 dBm。隨著射頻前端GaN 功率放大器的應用越來越多，本文設計的驅(qū)動放大器的性能有很高的應用價值。

圖6 輸出功率線性度OIP3 測試結(jié)果

4 結(jié)語

通過分析GaAs HBT 功率放大器非線性補償原理和寬帶匹配結(jié)構(gòu)，針對放大器輸出功率線性度和射頻信號帶寬問題，分別提出了改善方法?；? μm GaAs HBT 工藝，本文設計了一種寬帶驅(qū)動功率放大器。最終的芯片測試結(jié)果表明，該驅(qū)動功率放大器在4～6 GHz 范圍內(nèi)具有較高的P-1 dB 和OIP3。本文實現(xiàn)的驅(qū)動功率放大器芯片集成度高、帶寬寬，能有效簡化射頻通信鏈路，具有較高的實際意義。