10W高線性802.11n功率放大芯片設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了一款用于無線局域網(wǎng)802.11n的10W功率放大芯片。該芯片具有高功率、高增益、高效率和高集成度的特點(diǎn)，并且使用方便。芯片采用GaAs HBT技術(shù)，芯片面積僅為10mm×10mm。功率放大器采用了熱分流式結(jié)構(gòu)，飽和輸出功率可達(dá)41dBm，功率附加效率達(dá)到40%，功率增益為38dB。此外芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了50歐姆的輸入輸出匹配電路與片內(nèi)ESD保護(hù)電路，方便用戶安全使用。

引言

　　802.11n是寬帶無線局域網(wǎng)(WLAN)的一種傳輸標(biāo)準(zhǔn)。在WLAN組網(wǎng)時(shí)，可以利用無線橋接技術(shù)將兩個(gè)不同物理位置，不方便布線的用戶連接到同一局域網(wǎng)內(nèi)。但是由于WLAN自身發(fā)射功率較低，橋接的距離非常有限。因此在為橋接路由器設(shè)計(jì)大功率、高線性、符合802.11n要求的功率放大器是非常有價(jià)值的。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，為滿足傳輸距離要求，需要線性輸出2W的功率放大器。為得到2W的線性輸出，通常功率放大器的飽和輸出功率需要達(dá)到10W以上。10W功率放大器通常是由電路模組實(shí)現(xiàn)的，體積大，一致性不高。本文介紹的是一款10W功率放大芯片，芯片采用10×10×1.1mm³的LGA封裝，相比于電路模組，大大節(jié)約了電路板面積，同時(shí)在穩(wěn)定性、一致性方面具有很大優(yōu)勢(shì)^[1]。

1 電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　考慮到放大器的輸入功率限制，10W的功率放大器必須具有高增益。設(shè)計(jì)的增益指標(biāo)定在35dB以上?？紤]到電路的級(jí)間匹配損耗，整個(gè)功率放大器需要由4級(jí)放大電路構(gòu)成^[2]。

　　為降低芯片的使用難度，將輸入、輸出匹配電路設(shè)計(jì)在芯片內(nèi)部，做到輸入、輸出端口50歐姆阻抗匹配。

　　該功率放大器工作在2.4GHz，匹配電路需要占據(jù)一定的芯片面積。設(shè)計(jì)的面積指標(biāo)定為：放大模塊與匹配電路總面積控制在10mm×10mm以內(nèi)。最終芯片選擇的也是10×10×1.1mm3的LGA封裝。

　　為進(jìn)一步降低芯片使用難度，芯片設(shè)計(jì)時(shí)，盡量減少外圍元器件。外圍管腳盡量簡化，僅有射頻輸入、射頻輸出、直流供電與控制端口。

2 末級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常阻抗變換比可以做到1:10。也就是說在50歐姆系統(tǒng)中，從功放輸出端看出去的負(fù)載阻抗最小可以做到50歐姆的1/10，也就是5歐姆。根據(jù)且 ，可以得出?？紤]到電壓利用效率，芯片的末級(jí)供電電壓選擇為12V。

　　芯片末級(jí)供電12V，那么輸出電壓的擺幅將達(dá)到20V以上。單個(gè)GaAs HBT晶體管耐壓通常在12V-14V，是無法承受這么高的電壓變化的^[3]。因此芯片末級(jí)放大電路采用Cascode結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)晶體管分擔(dān)電壓。

　　本設(shè)計(jì)中采用了一種新穎的Cascode結(jié)構(gòu)，如圖1所示，Q1的基極帶有阻容元件，這是一種級(jí)間功率匹配技術(shù)^[4-5]。在普通Cascode結(jié)構(gòu)電路中，晶體管Q1的基極對(duì)于射頻信號(hào)是接地的，因此從Q1的發(fā)射極看到的阻抗非常小，也就是說晶體管Q0的負(fù)載阻抗非常小。這導(dǎo)致絕大部分電壓將由晶體管Q1承受，兩個(gè)晶體管分擔(dān)電壓的效果不理想。而在本電路設(shè)計(jì)中，該電路結(jié)構(gòu)配合輸出匹配電路，可以使晶體管Q0與Q1平均分?jǐn)傠妷簲[幅。這樣兩個(gè)晶體管都處于良好的工作狀態(tài)下，可以提升Cascode放大器的線性與效率。

3 供電方式設(shè)計(jì)與控制端設(shè)計(jì)

　　末級(jí)放大器需要采用12V供電。然而對(duì)前級(jí)放大器而言，只需要5V的工作電壓就可以驅(qū)動(dòng)末級(jí)放大器。如果統(tǒng)一采用12V供電，會(huì)降低整個(gè)放大器效率。而且高供電電壓會(huì)大大增加ESD保護(hù)電路的面積。因此芯片設(shè)計(jì)時(shí)采用了12V與5V兩路直流供電。

　　此外芯片還帶有偏置控制端口。該端口與各級(jí)放大器的偏置電路相連，可以通過該端口來關(guān)斷功放的偏置電路，達(dá)到關(guān)閉整個(gè)功率放大器的效果。

4 熱分流設(shè)計(jì)

　　大功率的功率放大器芯片工作時(shí)，巨大的熱功耗會(huì)導(dǎo)致HBT溫度的急劇上升。其實(shí)質(zhì)為電子、空穴以及半導(dǎo)體晶格組成的熱動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)生變化^[6]。HBT工作于放大狀態(tài)時(shí)，基極-集電極之間的耗盡結(jié)產(chǎn)生的電場(chǎng)最大，電流密度大。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，載流子被加速并從電場(chǎng)中獲得能量，致使其平均能量比平衡時(shí)高出很多，從而載流子溫度升高，相應(yīng)的電學(xué)特性發(fā)生變化^[7]。

　　為保證電學(xué)特性的穩(wěn)定，必須采用合理的散熱方式降低晶體管溫度。圖2為HBT的熱流流動(dòng)圖。其中，散熱途徑1為傳統(tǒng)的散熱方式，即晶體管通過襯底散熱。途徑2采用將發(fā)射極與金屬連接的方式進(jìn)行散熱，可以采用金屬銀，其熱導(dǎo)率為420W/ m?K ，此方法提供了快速的散熱通道。由于在HBT功放設(shè)計(jì)中，發(fā)射極通常接地，因而，此種連接方式并不會(huì)影響電氣的連接。途徑3為本文提出的增加的散熱途徑。由于集電極的熱量最大，實(shí)際溫度最高，因而也是最需降溫的部分，采用正交排列的雙層金屬條，盡管在電氣上沒有互聯(lián)，熱量卻可以通過金屬條再次散入背孔中，增加的散熱路徑為晶體管提供更好的散熱環(huán)境，從而可以有效抑制器件的溫升。

　　圖3為3組功率單元的版圖示意圖。其中晶體管T1~T8的集電極與T9~T16集電極通過金屬層2相連，其中金屬層1與背孔C1、C2直接相連，而位于上層的金屬層2與其正交放置，如區(qū)域AB所示。金屬層1與2之間由于存在絕緣介質(zhì)Si3N4，因而電氣上并未直接連接，這與放大器中集電極的偏置方式一致。此外，由于采用正交方式，此種分流技術(shù)并沒有增加版圖面積，且金屬層1與2的重疊面積最小，在優(yōu)化散熱路徑的目標(biāo)下最大程度減小耦合的寄生電容，從而對(duì)放大器射頻性能的影響可以忽略。

5 芯片測(cè)試結(jié)果

　　該芯片采用2微米的GaAs HBT技術(shù)與10×10×1.1mm3的LGA封裝。

　　圖4是芯片評(píng)估板原理圖，圖5是評(píng)估板照片。芯片只有5個(gè)管腳，而且芯片所需要的外圍電路非常簡單。

　　芯片的頻率特性測(cè)試結(jié)果如圖6。在2.4GHz-2.5GHz頻率范圍內(nèi)，芯片的回波損耗都在-20dB以下。在802.11n系統(tǒng)的工作頻點(diǎn)，功放增益達(dá)到38dB。

　　芯片的飽和輸出功率如圖7。在2.4GHz頻點(diǎn)上飽和輸出功率達(dá)到41dBm，即12W。在2.4GHz-2.5GHz頻率范圍內(nèi)，飽和輸出功率都在10W以上。

　　芯片的功率附加效率隨輸出功率的變化如圖8所示，芯片效率可以達(dá)到40%。

　　用信號(hào)源產(chǎn)生802.11n信號(hào)輸入功率放大器測(cè)試板，使用Agilent頻譜分析儀N9020A測(cè)量EVM。在2W輸出時(shí)，EVM為-30dB，滿足802.11n線性度要求。

6 結(jié)論

　　該芯片的輸出功率可以達(dá)到12W，可以滿足多數(shù)橋接設(shè)備的需求。同時(shí)在電路設(shè)計(jì)中采用了堆疊式功率放大器的功率匹配技術(shù)以及熱分流設(shè)計(jì)，提高了整個(gè)功率放大器的性能。從評(píng)估板設(shè)計(jì)可以看出，使用該芯片非常簡單。輸入輸出匹配均在片內(nèi)集成，此外芯片內(nèi)部還集成了ESD保護(hù)電路，大大提高了芯片的可靠性。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第50頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。