成都嘉納海威科技有限責(zé)任公司 呂繼平 鐘 丹 王測(cè)天 鄔海峰

青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院 林 倩

近幾年5G通信的廣泛普及導(dǎo)致市場(chǎng)對(duì)于無線通信設(shè)備及芯片的需求猛增。由于功率放大器是無線通信射頻前端中功率輸出部分，主要完成對(duì)射頻信號(hào)的不失真放大，同時(shí)兼顧系統(tǒng)對(duì)帶寬、功率、效率和線性度的要求；而射頻驅(qū)動(dòng)放大器作為5G無線通信射頻前端中的重要器件，一般放在功率放大器的輸入端，為后級(jí)功放提供中功率輸入信號(hào)，因此驅(qū)動(dòng)放大器需滿足在保持線性度的條件下具備較高的增益和較大的功率輸出，因此驅(qū)動(dòng)放大器的工作帶寬、輸出功率、增益、線性度等關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)5G無線通信信號(hào)質(zhì)量有著重要影響。尤其在L波段，由于傳輸損耗更小，穿透力更強(qiáng)，信號(hào)覆蓋面積更廣，適用于大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如將其用在組網(wǎng)基站可降低基站成本，因此5G系統(tǒng)迫切需求L波段驅(qū)動(dòng)放大器芯片，并且要求其具備低成本、寬帶、高線性度指標(biāo)。

本文基于2μm GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款0.4～1.4GHz寬帶高線性度驅(qū)動(dòng)放大器芯片。該驅(qū)動(dòng)放大器采用一級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合自適應(yīng)偏線性化偏置與負(fù)反饋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了良好的輸入、輸出駐波、噪聲系數(shù)和線性度指標(biāo)。芯片面積為800×650um2。在3.3V供電電壓下，該放大器芯片實(shí)測(cè)靜態(tài)電流為52mA，在0.4～1.4GHz工作頻帶內(nèi)，典型增益為17dB，輸出P1dB大于19.2dBm，OIP3大于39.5dBm。該芯片在-40℃、+25℃、+115℃三溫條件下核心指標(biāo)增益、輸出P1dB、OIP3值在±1dB以內(nèi)，呈現(xiàn)了良好的溫度波動(dòng)特性，同時(shí)在3.15V、3.3V、3.45V三種供電電壓下，核心指標(biāo)±0.5dB以內(nèi)，適合5G通信系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 芯片結(jié)構(gòu)

本文提出的驅(qū)動(dòng)放大器電路原理圖如圖1所示，為一級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)，由4個(gè)晶體管晶M1~M4并聯(lián)組成一個(gè)放大管胞，以提高放大器輸出功率和線性度。芯片輸入端并聯(lián)到地大電感L1，起到防靜電保護(hù)以及低頻增益匹配的作用。C1和R1為放大器輸入端阻抗匹配電路，用于以改善放大器駐波、增益噪聲系數(shù)以及增益平坦度和線性度等關(guān)鍵指標(biāo)。在晶體管M1～M4的發(fā)射極分別串聯(lián)整流電阻R2～R5用于提高基極電流的控制能力并改善放大器的熱穩(wěn)定性，R2～R5取值由所選工藝以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)共同決定。發(fā)射極整流的方式同基極整流的方式相比，線性度指標(biāo)會(huì)有顯著提升。電容C3和電阻R9為放大器提供負(fù)反饋回路，可調(diào)節(jié)輸入輸出匹配，擴(kuò)展帶以及改善放大器的穩(wěn)定性。

圖1 驅(qū)動(dòng)放大器電路原理圖

該結(jié)構(gòu)采用自適應(yīng)線性化偏置電路提升了放大器的線性度，同時(shí)對(duì)放大器起到一定的溫度補(bǔ)償和穩(wěn)定晶體管的偏置電壓的作用，偏置電路的電源為+3.3V。如圖1所示，自適應(yīng)線性化偏置電路結(jié)構(gòu)中，晶體管M7、M8以等效二極管方式進(jìn)行連接，M8發(fā)射極串聯(lián)電阻R8到地，M7與M5和M6共同組成電流鏡結(jié)構(gòu)，電容C4的作用可將泄露到偏置電路的射頻信號(hào)旁路到地。放大管胞集電極電路偏置直接由外部輸入的3.3V提供。電阻R6與C2為偏置電路的匹配電路，用來改善偏置電路引入的插入損耗。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用2μm的GaAs HBT工藝進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)流片后，芯片尺寸為800×650um2。在芯片的Vbb和Vcc端加3.3V電壓，靜態(tài)電流為52mA。常溫下測(cè)得的芯片的性能指標(biāo)如圖2所示，在0.4～1.4GHz范圍內(nèi)增益16.7～17.2dB，增益平坦度≤ 0.5dB，輸入回波小于-15dB、輸出回波小于-11.5dB，典型噪聲系數(shù)為7dB，輸出P-1dB大于19.2dBm，OIP3大于39.5dBm。

圖2 S參數(shù)、噪聲和線性度測(cè)試結(jié)果

從圖3中可以看出，在環(huán)境溫度-40℃～+115℃范圍內(nèi)，放大器在全工作頻段內(nèi)的輸出P1dB三溫曲線一致性很好，變化不大于1.7dBm，OIP3變化最大為2.2dB。

圖3 P1dB和OIP3線性度三溫測(cè)試結(jié)果

從圖4中可以看到三種工作電壓下放大器的輸出P1dB化曲線小于0.9dB，OIP3變化小于1.5dB。

圖4 不同工作電壓條件下P1dB和OIP3線性度測(cè)試結(jié)果

結(jié)論：論文采用2μm GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)了一款0.4～1.4GHz寬帶高線性度驅(qū)動(dòng)放大器，芯片尺寸為800×650um2。在3.3V工作電壓下，芯片的常溫靜態(tài)電流為52mA，在0.4GHz～1.4GHz頻帶內(nèi)，測(cè)得芯片典型增益為17dB且增益平坦度不大于0.5dB。芯片的P1dB大于19.2dBm，OIP3大于39.5dBm。從常溫測(cè)試測(cè)試結(jié)果可以看出，該芯片具有工作頻段寬、高增益、高線性度的特點(diǎn)。本文同時(shí)對(duì)比了在不同輸入電壓以及極限環(huán)境溫度條件下放大器的主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，從測(cè)試結(jié)果對(duì)比可看出，該驅(qū)動(dòng)放大器具有一定的溫度穩(wěn)定性和電壓波動(dòng)穩(wěn)定性，能夠在溫度范圍大、電壓有一定波動(dòng)的惡劣環(huán)境下使用。