一款高三階交調(diào)點的GaAs射頻放大器

隨著社會的發(fā)展，5G 通信快速發(fā)展并運用在各個社會領域當中。網(wǎng)絡直播，遠程醫(yī)療，遠程操控，物聯(lián)網(wǎng)等領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)絡延遲時間成倍減少^[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量的重要標準?，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行預放大處理。高線性度代表著在輸入功率提高時，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，設計了一款可工作在10 MHz~4 GHz 頻率下的高線性度高增益放大器。實際測試放大器的輸出三階交調(diào)截止點大于40 dBm。并且可以滿足器件的功率增益大于20 dB，輸出1 dB 壓縮點大于20 dBm。器件測試參數(shù)結果滿足5G 通信要求，可應用于手機基站、無線圖像傳輸?shù)韧ㄐ畔到y(tǒng)當中。

1 理論分析與電路設計

1.1 電路結構

異質結晶體管 (Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)。在目前主流的砷化鎵材料器件中，HBT 因具有很強的電流放大能力，從而被越來越多應用到放大器的設計當中。HBT 的集電極（C）、基極（B）、發(fā)射極（E）使用不同材料制成，所以被稱做異質結結構器件。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，因為HBT 具備的這些特點，所以本文選擇采用HBT 工藝對放大器進行設計。

達林頓結構是一個將晶體管串接起來的結構。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。這樣的鏈接結構可以提高放大器增益的晶體管結構。如圖1 所示，Q1，Q2 晶體管組成了一個共集-共射結構，這就是一個簡單的達林頓結構^[2]。與典型的單管放大結構相比，加入了晶體管Q1，可以提高電流增益并且增大輸入阻抗。

與典型的放大結構相比，達林頓結構的優(yōu)點有：輸入阻抗高；帶寬較大，成本低；結構簡單不需要復雜匹配，面積小。按照圖1 所連接的情況，該結構總的電流增益為是^[3]：

   (1)

這使得達林頓結構有較強的電流放大能力，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構來設計高增益高線性度的放大器。所以本文選擇以達林頓結構為基礎，進行調(diào)整優(yōu)化后對此款放大器進行設計。

1.2 電路設計

對于寬帶放大器而言，線性度是一個可以評價性能的重要參數(shù)指標。在設計放大器時使用的晶體管是非線性的，當在小信號情況下，晶體管的輸出信號與輸入信號呈現(xiàn)線性的關系，此時可以忽略放大器的非線性。但當輸入信號功率變大或者信號頻率增加的時候，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。

當有兩個頻率接近的信號輸入時，我們可以將信號表示為下面的式子：

v(t) = A₁cosω₁+A₂cosω₂   (2)

把輸入信號代入公式，用泰勒級數(shù)展開后近似可以得到輸出端的信號式子，在此種情況下除了會有ω₁、ω₂頻率分量以外，還有直流分量，與頻率（2ω₁±ω₂）和（2ω₂±ω₁）相關的諧波分量，展開式子后，其中包括：

A₁²A₂a₃cos(2ω₁-ω₂)t+A₁A₂²a₃cos (2ω₂-ω₁)t   (3)

在式（3）的分量中可以存與頻率ω₁、ω₂相關的頻率分量。當ω₁與ω₂接近的情況下，2ω₁-ω₂和2ω₂-ω₁是與主信號頻率（ω₁、ω₂）接近的兩個信號頻率^[4]。因為過于接近，所以這兩個新產(chǎn)生的交調(diào)量難以濾除。這一個三階交調(diào)分量是對放大器性能的主要干擾，為了衡量這一個指標，采用輸出三階交調(diào)點（Output thirdorder Intercept Point, OIP₃）指標來表示三階交調(diào)分量對信號的干擾程度。圖2 是三階交調(diào)截止點的示意圖，三階交調(diào)信號線的斜率更大，隨著輸入功率的增加，它上升的更快。將兩條線虛擬延伸，得到一個交點，此時的輸出功率與三階交調(diào)的輸出功率相等，把這兩根線條的交點叫做輸出三階交調(diào)截止點。

1.3 仿真設計

為了提高放大器的線性度，設計時在前文介紹的達林頓結構的基礎上添加了偏置結構。晶體管Q₁與電阻R₁，R₂，R₃組成的偏置結構可以穩(wěn)定電路的直流偏置點，提高電路的線性度。同時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晶體管組成達林頓結構。因為功率較高第二級晶體管上需要通過較大的電流，所以在設計當中采用了并聯(lián)晶體管的方式，降低了每個晶體管上通過的電流，降低可能因為電流過大的產(chǎn)生的熱效應，提高晶體管的耐功率裕度，并且并聯(lián)結構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，起到負反饋的作用^[5]。電路基本結構原理圖如圖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。因為第二級晶體管為并聯(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 測試與驗證分析

電路采用SOT89 塑封封裝管殼，應用驗證板如圖4。測試條件為電源電壓V_CC=5 V。使用網(wǎng)絡分析儀對電路進行三階交調(diào)截止點等參數(shù)進行測試，三階交調(diào)點測試曲線如圖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)點超過40 dBm。且能夠保證功率增益達到20 dB，且增益曲線平坦，輸出1 dB 壓縮點達到21 dBm，電路在大功率輸入情況下也擁有較好的線性度。測試結果表明實際測試與仿真結果基本一致，電路實現(xiàn)了高三階交調(diào)點。說明本文中采用的以達林頓結構為基礎，添加偏置結構對電路進行優(yōu)化的方法可行有效。

圖4 測試驗證板

3 結束語

本文基于達林頓晶體管放大結構設計了一款高增益高三階交調(diào)點的射頻放大器。使用2 μm GaAs HBT 工藝流片設計，對晶體管結構進行優(yōu)化，提高了工作帶寬，利用HBT 晶體管搭建的達林頓結構抑制了三階諧波分量，提高了OIP₃ 參數(shù)，輸出三階交調(diào)點40 dBm，提升了電路的線性度。此時功率增益達到20 dB，且增益曲線平坦，輸出1 dB 壓縮點達到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，可用于通信收發(fā)鏈路當中，具有很強的應用前景。

圖5 三階交調(diào)點測試曲線

參考文獻：

[1] 宋楠. 基于GaAs HBT 的增益放大器研究與設計[D].上海:復旦大學, 2014.

[2] 張博,李力陽.0.1~6 GHz 高線性度低功耗 InGaP/GaAs HBT射頻放大器[J].電子元件與材料,2019, 39(10): 59-65.

[3] WEI Y, STAUDINGER J, MILLER M. High efficiency linear GaAs MMIC amplifier for wireless base station and Femto cell applications[C] // 2012 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications. IEEE, 2012: 49-52.

[4] B.RAZAVI. RF Microelectronics, Second Edition[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2016.

[5] COERS M, BOSCH W. DC to 6.5 GHz highly linear low-noise AlGaN/GaN traveling wave amplifier with diode predistortion[C]//2014 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2014). IEEE, 2014: 1-4.

[6] 梁永明.毫米波低噪聲放大器研究與設計[D].浙江:杭州電子科技大學,2018.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）