黃　亮，何　全，章國(guó)豪

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

一種改善LTE應(yīng)用功率放大器性能的設(shè)計(jì)*

黃亮，何全，章國(guó)豪

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

針對(duì)LTE應(yīng)用的射頻功率放大器，提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的改善功率放大器性能的方法，并應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)了一個(gè)基于InGaP/GaAs HBT工藝的兩級(jí)F類(lèi)功率放大器。該功率放大器采用了三階交調(diào)失真消除技術(shù)、級(jí)間諧波抑制網(wǎng)絡(luò)和帶溫度補(bǔ)償特性的有源偏置電路以達(dá)到高線(xiàn)性度。此外，輸出采用F類(lèi)功率放大器諧波理論以獲得高效率。該功放在工作電壓為3.4 V，頻率2.35 GHz處，分別使用連續(xù)波信號(hào)和10 MHz LTE調(diào)制信號(hào)輸入測(cè)得：增益為27.5 dB，1 dB壓縮點(diǎn)為30 dBm，最高效率點(diǎn)達(dá)到 46%；平均輸出功率為28 dBm時(shí)，無(wú)線(xiàn)接入鄰道泄漏率為-38.4 dBc，功率附加效率為38%。

三階交調(diào)失真；級(jí)間諧波抑制；F類(lèi)；功率放大器

0　引言

功率放大器芯片是移動(dòng)收發(fā)系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部件，其性能直接影響到手機(jī)的通話(huà)質(zhì)量、信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度、電池續(xù)航能力等。射頻收發(fā)系統(tǒng)對(duì)功率放大器的指標(biāo)需求指功放輸出級(jí)的性能要求，所以多級(jí)功率放大器最后一級(jí)的線(xiàn)性度對(duì)系統(tǒng)總體的線(xiàn)性度影響很明顯。另一方面，隨著通信系統(tǒng)的演進(jìn)，移動(dòng)終端射頻前端需要集成多顆功放芯片實(shí)現(xiàn)多通信標(biāo)準(zhǔn)下的使用，功率放大器易發(fā)生三階交調(diào)失真(Third Order Intermodulation Distortion，IMD3)，對(duì)線(xiàn)性度要求更高。因此，功率放大器對(duì)射頻收發(fā)系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的作用。

雖然CMOS工藝一直用于GSM手機(jī)功率放大器，同時(shí)也用于滿(mǎn)足藍(lán)牙和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)的功放要求，也一定程度上用于 3G手機(jī)功放，但對(duì)于 4G LTE而言，CMOS工藝的功率放大器是無(wú)法達(dá)到要求的。主要原因是在性能上有很多缺陷，例如增益低、線(xiàn)性差、擊穿電壓低、隔離性能差等。此外，4G LTE通信系統(tǒng)相比較于3G對(duì)功率放大器的要求包括更線(xiàn)性的放大倍數(shù)，更高的峰均功率比，更高的效率。因此，對(duì) LTE應(yīng)用射頻功率放大器(Power Amplifier，PA)，以具有高頻、高效率、低噪聲、低耗電等特點(diǎn)的InGaP/GaAs HBT工藝為目前移動(dòng)終端射頻功率放大器設(shè)計(jì)采用的主流工藝。

目前廣泛應(yīng)用的 3G、4G系統(tǒng)通過(guò) IMD3或者鄰信道泄漏率（Adjacent channel leakage ratio,ACLR）對(duì)功率放大器線(xiàn)性度進(jìn)行衡量。而有源器件的IMD受偏置條件影響，隨偏置電流變化而變化[1]。文獻(xiàn)[2]應(yīng)用Volterra級(jí)數(shù)展開(kāi)分析了一個(gè)兩級(jí)功放的IMD3消除機(jī)制，最終通過(guò)優(yōu)化每級(jí)偏置電阻實(shí)現(xiàn)IMD3的削弱。文獻(xiàn)[3]應(yīng)用Volterra級(jí)數(shù)展開(kāi)分析了一個(gè)三級(jí)功放的 IMD3消除機(jī)制，最終研究了通過(guò)設(shè)置功放第一級(jí)的偏置條件實(shí)現(xiàn)總體IMD3的改善。

本文介紹了一個(gè)工作在 2 300～2 400 MHz頻段基于InGaP/GaAs HBT工藝的兩級(jí)功率放大電路。分析了一個(gè)兩級(jí)功放的Volterra級(jí)數(shù)展開(kāi)式，以及影響IMD3的主要因素，并通過(guò)電路方式進(jìn)一步削減IMD3提高線(xiàn)性度。還應(yīng)用了溫度補(bǔ)償?shù)挠性雌秒娐芬约耙粋€(gè)F類(lèi)工作模式的輸出匹配，使功率放大器在較大的溫度范圍下，保證高線(xiàn)性度的同時(shí)具有高的效率。最終進(jìn)行了流片，芯片測(cè)試結(jié)果良好，并對(duì)比了沒(méi)有進(jìn)一步IMD3削弱的方案。

1　兩級(jí)功放IMD3理論分析

一個(gè)兩級(jí)功放的IMD概念簡(jiǎn)化框圖如圖1所示，從該圖可以看出輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)功放后輸出非線(xiàn)性增加明顯。

圖1　兩級(jí)功放的IMD概念簡(jiǎn)化框圖

為了分析圖1這個(gè)兩級(jí)功放的非線(xiàn)性機(jī)理，對(duì)每級(jí)功放應(yīng)用 Volterra級(jí)數(shù)展開(kāi)，其非線(xiàn)性轉(zhuǎn)移特性表達(dá)式可表示為[1]：

其中，Vn，out(t)和 Vn，in(t)分別代表功放第 n級(jí)的輸出電壓和輸入電壓；ai，bi和 ci分別是各項(xiàng)的 Volterra系數(shù)，這些系數(shù)均為復(fù)數(shù)即包括了相位信息。

為了研究?jī)杉?jí)功放的IMD特性，將雙音信號(hào)輸入功放第一級(jí)，假設(shè)輸入信號(hào)為：

其中，A是輸入信號(hào)的電壓幅度，ω1和 ω2分別是輸入信號(hào)的頻率。通過(guò)輸入信號(hào)各級(jí)的基頻信號(hào)和三階交調(diào)(Third Order Intermodulation，IM3)信號(hào)可以推導(dǎo)出來(lái)。

假設(shè)ω1為工作信號(hào)頻率，ω2為非工作信號(hào)，將式(3)代入式(1)得到關(guān)于工作信號(hào)ω1的第一級(jí)輸出的基頻信號(hào)和三階交調(diào)信號(hào)如下：

進(jìn)一步，將式(4)和式(5)代入式(2)，推導(dǎo)得第二級(jí)輸出的基頻信號(hào)和IM3信號(hào)如下：

上式中的高次項(xiàng)因?yàn)槎急容^小，所以都忽略。如式(7)輸出級(jí)的IM3電壓由兩項(xiàng)矢量相加得到，其中第一項(xiàng)是由功放第一級(jí)產(chǎn)生，第二項(xiàng)是由第一級(jí)輸出的基頻信號(hào)經(jīng)過(guò)功放第二級(jí)產(chǎn)生。假設(shè)將式(7)的兩項(xiàng)分別定義為各級(jí)的增益偏差，如果 a3/a1和 b3/b1都為正，將會(huì)產(chǎn)生增益擴(kuò)展；反之，將產(chǎn)生增益壓縮。因此，調(diào)整這兩項(xiàng)使其相位反向可以非常有效地優(yōu)化IMD3，最終如圖1所示的總體 IMD3將會(huì)顯著改善[2]。所以，本設(shè)計(jì)的功放第一級(jí)將會(huì)產(chǎn)生增益擴(kuò)展，第二級(jí)產(chǎn)生增益壓縮。

從式(7)中還可以發(fā)現(xiàn)兩項(xiàng)IM3電壓都與a1有關(guān)，所以輸出級(jí)的IM3電壓與第一級(jí)的偏置條件相關(guān)，即輸出級(jí)的IM3電壓隨第一級(jí)的偏置條件變大而變大[3]。因此，本設(shè)計(jì)第一級(jí)的偏置條件的設(shè)置需要考慮IM3。

此外，上述理論推導(dǎo)由于忽略了第一級(jí)輸出的 2ω1、2ω2和(ω1+ω2)等頻率信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用方面存在偏差。因此，可以進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

2　電路設(shè)計(jì)

2.1偏置電路

由于HBT晶體管基-發(fā)射結(jié)的整流特性，隨著輸入的功率信號(hào)增大，大的負(fù)電流信號(hào)和大的正電壓信號(hào)會(huì)被削減，引起基-發(fā)射結(jié)電壓(Vbe)的減小，并導(dǎo)致跨導(dǎo)的減小，最終致使更早的增益壓縮和失真[4]。而這可以通過(guò)采用有源偏置電路偏置提升技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì) Vbe補(bǔ)償[5]。此外，HBT晶體管有很強(qiáng)的熱敏感性，器件性能受外部環(huán)境溫度以及自熱效應(yīng)的影響明顯，對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償能提高線(xiàn)性度[6]。

因此，本文采用片上溫度補(bǔ)償偏置電路如圖2所示[7]。該偏置電路對(duì)功放級(jí)進(jìn)行了線(xiàn)性度補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償電路分別如圖2箭頭所指虛線(xiàn)框電路。應(yīng)用該線(xiàn)性補(bǔ)償電路可以有效地改善功放線(xiàn)性度實(shí)現(xiàn)增益擴(kuò)張。如圖3所示，調(diào)整偏置電路電容CL值分別為0、1 pF和5 pF，可以看出基-發(fā)射結(jié)電壓(Vbe)在輸入大信號(hào)時(shí)隨CL增加而改善明顯，即調(diào)整電容CL可以很有效地引起該級(jí)功放的增益擴(kuò)張。

圖2　偏置電路

該偏置電路通過(guò)調(diào)整偏置電路中的偏置電阻 Rbias的阻值可以改變偏置條件，從而改變輸出級(jí)的IM3電壓。但是，如圖4所示，分別設(shè)置Rbias的阻值為0、20 Ω和50 Ω，可以看出基-發(fā)射結(jié)電壓(Vbe)在輸入大信號(hào)時(shí)隨Rbias增加而明顯惡化，即增大 Rbias的阻值明顯引起該級(jí)功放的增益壓縮。

對(duì)比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，分別對(duì)電容CL和偏置電阻 Rbias進(jìn)行折中處理，可以在保證增益擴(kuò)張的同時(shí)，盡可能地滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)通過(guò)偏置條件改善IMD3的要求。

圖3　基-發(fā)射結(jié)電壓隨線(xiàn)性補(bǔ)償電路CL變化圖

圖4　基-發(fā)射結(jié)電壓隨偏置電阻Rbias變化圖

2.2F類(lèi)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

功放要達(dá)到較高的效率，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。理論上，F(xiàn)類(lèi)功率放大器可以獲得100%的效率。F類(lèi)功率放大器的原理是對(duì)功放輸出級(jí)晶體管集電極電壓或是電流中的諧波成分進(jìn)行控制，歸整晶體管集電極的電壓波形或者電流波形，使得功放工作時(shí)電壓、電流沒(méi)有重疊區(qū)，從而減少了功放的工作損耗，提高了功放的效率。

本文所設(shè)計(jì)的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。該輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)將射頻扼流電感L3也考慮了在內(nèi)。其中，由C1和L1構(gòu)成的串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出的二次諧波進(jìn)行濾波；由C2和L2構(gòu)成的串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出的三次諧波進(jìn)行濾波；由C3、C4和L5構(gòu)成的π型匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)高次諧波進(jìn)行濾波；C5為隔直電容。負(fù)載經(jīng)由此阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，在集電極看到的電壓、電流時(shí)域波形仿真圖如圖6所示，該波形圖為輸出飽和功率為32 dBm時(shí)所測(cè)得。

圖5　輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

圖6　集電極電壓、電流時(shí)域波形圖

理想的F類(lèi)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，由于電壓的偶次諧波短路，電流的奇次諧波開(kāi)路，集電極的電壓波形為方波，電流波形為正弦波，彼此波形之間沒(méi)有交疊部分[8]。從圖6可以看出，電壓、電流波形重疊部分較少；且電壓近似方波，電流近似正弦波。因此，該輸出匹配網(wǎng)絡(luò)近似為F類(lèi)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。

2.3級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)

級(jí)間匹配的主要作用是使前一級(jí)的功率能夠驅(qū)動(dòng)后一級(jí)。因此，本文采用最簡(jiǎn)單的L型級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)。本文所設(shè)計(jì)的級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)如圖7所示，該匹配網(wǎng)絡(luò)的左端口接第一級(jí)輸出，右端口接第二級(jí)輸入。其中，電感LC為第一級(jí)連接電源的扼流電感，且參與級(jí)間匹配；電容Cb不僅參與匹配，還起到隔直流的作用；電容C0和L0構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，諧振于二次諧波頻點(diǎn)，補(bǔ)償理論推導(dǎo)中忽略的2ω1、2ω2和(ω1+ω2)等頻率信號(hào)。

圖7　級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)

3　功率放大器的實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)面前的原理分析及電路設(shè)計(jì)，一個(gè)工作在2 300～2 400 MHz頻段基于 InGaP/GaAs HBT工藝的兩級(jí)功率放大器原理圖如圖8所示。其中偏置電路如圖2所示；虛線(xiàn)框所示為級(jí)間諧波抑制網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)不僅可以?xún)?yōu)化IMD3，還可以?xún)?yōu)化F類(lèi)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)二次諧波分量。圖8中陰影部分為MMIC部分將經(jīng)過(guò)流片實(shí)現(xiàn)。作為對(duì)比，本文還設(shè)計(jì)了沒(méi)有級(jí)間諧波抑制網(wǎng)絡(luò)及IMD3消除技術(shù)的功放。

圖8　功率放大器原理圖

本文所設(shè)計(jì)的兩級(jí)功放最終采用 Wavetek InGaP/GaAs HBT工藝進(jìn)行了成功流片。如圖9為MMIC流片后的芯片照，該芯片大小為 630 μm×740 μm，功放兩級(jí)的發(fā)射極面積大小分別為540 μm2和3 200 μm2，最終實(shí)現(xiàn)功放芯片大小為3mm×3mm。如圖9，線(xiàn)框部分為功放的級(jí)間諧波抑制網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的電感通過(guò)芯片PAD向基板打金線(xiàn)實(shí)現(xiàn)；如果沒(méi)有此電感該芯片可以轉(zhuǎn)換為使用正常L型匹配網(wǎng)絡(luò)的功放，因此同樣的芯片布局可以實(shí)現(xiàn)兩種方案的對(duì)比。

圖9　芯片照片

4　功率放大器測(cè)試結(jié)果與分析

功率放大器的工作電壓為3.4 V；靜態(tài)電流分別為19 mA和52 mA，保證功放偏置在AB類(lèi)。在2.35 GHz頻率點(diǎn)，使用安捷倫的信號(hào)發(fā)生器N5182A和信號(hào)分析儀N9030A搭建測(cè)試平臺(tái)，采用連續(xù)波(Continuous Wave，CW)信號(hào)輸入，測(cè)得該功率大器性能如圖10。從圖10可以看出，增益(Gain)為27.5 dB；輸出功率(Pout)的1 dB壓縮點(diǎn)為 30 dBm，此時(shí)功率附加效率(Power Added Efficiency，PAE)達(dá)到了42%；最高效率點(diǎn)達(dá)到 46%；對(duì)比傳統(tǒng)沒(méi)有應(yīng)用IMD3消除技術(shù)及級(jí)間諧波抑制網(wǎng)絡(luò)的功放，在1 dB壓縮點(diǎn)附近PAE提高將近10%。

圖10　2.35 GHz處輸入CW信號(hào)測(cè)試增益和PAE結(jié)果

同樣測(cè)試環(huán)境下，將輸入信號(hào)切換為 10 MHz LTE調(diào)制信號(hào)輸入，峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)為6.1 dB，測(cè)得該功率大器性能如圖11。從圖11可以看出，本文相比傳統(tǒng)功放設(shè)計(jì)在信道偏移7.5 MHz，平均輸出功率為28 dBm時(shí)，通用地面無(wú)線(xiàn)接入鄰道泄漏率(UTRAACLR1)分別為-38.4 dBc和-37.8 dBc，線(xiàn)性度略好；而功率附加效率分別為38%和32%，效率提高了6%；另外本設(shè)計(jì)在功率回退時(shí)，PAE也有明顯的改善。表1所示為同樣針對(duì)LTE應(yīng)用，采用InGaP/GaAs HBT工藝，工作電壓為3.4 V的功放性能對(duì)比；對(duì)比可以看出本設(shè)計(jì)具有較好的性能優(yōu)勢(shì)。

圖11　2.35 GHz處輸入10 MHz LTE調(diào)制信號(hào)測(cè)試線(xiàn)性度UTRAACLR1和PAE結(jié)果

表1　功率放大器主要性能對(duì)比

5　結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的改善功率放大器的架構(gòu)，分析了其IMD非線(xiàn)性機(jī)制，及進(jìn)一步改善的方法；然后基于InGaP/GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)工作電壓為3.4 V，應(yīng)用于LTE的兩級(jí)功放，芯片大小為3mm×3mm。芯片測(cè)試結(jié)果表明，該功率放大器在 2.35 GHz處具有較高的功率附加效率及線(xiàn)性度，相比其他同類(lèi)型功放也有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

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A power amplifier performance enhancement design for LTE applications

Huang Liang，He Quan，Zhang Guohao
(School of Information Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

A novel and simple design method to improve the performance of power amplifiers(PAs)for LTE applications is presented.A two-stage class F power amplifier with this approach based on InGaP/GaAs HBT technology has been proposed.The introduced PA used include a third order intermodulation reduction technique,an inter-stage harmonic suppression network and an active bias network with temperature compensation circuit to achieve high linearity.In addition,a class F operation output matching network has been adopted to obtain high efficiency.The fabricated PA shows a gain of 27.5 dB,a 1dB compression of 30 dBm, and a maximum power added efficiency(PAE)of 46%,measured with continuous wave(CW)signals at a supply voltage of 3.4 V and at the frequency of 2.35 GHz.Measured with 10 MHz LTE modulation signals,the PA also exhibits a high linearity of-38.4 dBc UTRAACLR1at an average output power of 28 dBm.

third order intermodulation；interstage harmonic suppression；class F；power amplifier

TN927

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.011

國(guó)家自然科學(xué)基金（500150058）

（2016-05-19）

黃亮(1990-)，男，博士研究生，主要研究方向：射頻前端電路設(shè)計(jì)。

何全(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：微波射頻電路設(shè)計(jì)。

章國(guó)豪(1964-)，男，教授，主要研究方向：射頻、微波及毫米波單片電路和組件。

中文引用格式：黃亮，何全，章國(guó)豪.一種改善 LTE應(yīng)用功率放大器性能的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(10)：47-50，57.

英文引用格式：Huang Liang，He Quan，Zhang Guohao.A power amplifier performance enhancement design for LTE applications[J].Application of Electronic Technique，2016，42(10)：47-50，57.