基于GaAs-0.25 μm L波段高效率功率放大器設(shè)計(jì)

謝仕鋒， 李海鷗,2,3， 李 躍， 李陳成， 張法碧， 陳永和， 傅 濤， 李 琦， 肖功利， 孫堂友， 陳立強(qiáng)

(1.桂林電子科技大學(xué) 廣西精密導(dǎo)航技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.杭州電子科技大學(xué) 射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310018；3.中國(guó)科學(xué)院 納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123；4.深圳飛驤科技有限公司，廣東 深圳 518057)

對(duì)于現(xiàn)代導(dǎo)航定位系統(tǒng)，功率放大器的效率對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率有著非常大的影響，因此設(shè)計(jì)高效率功率放大器是目前科研人員追求的一個(gè)重要目標(biāo)[1]。提高功率放大器的效率，不僅可以降低器件能耗，而且可以節(jié)省能源。目前，通常設(shè)計(jì)開關(guān)模式的功率放大器來(lái)提高效率，例如D類、E類和F類功率放大器[2]。Class-E功率放大器憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、PAE較好等特點(diǎn)而備受歡迎。

開關(guān)模式功率放大器的效率和線性度是相互制約的，一般在設(shè)計(jì)功放過(guò)程，往往在這二者中進(jìn)行折中[3]。另一方面，Class-E功率放大器增益起伏較大，一般通過(guò)采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)能夠有效改善增益平坦度和端口駐波匹配，但是負(fù)反饋結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致功率損耗較大以及功率附加效率PAE下降，不適合高效率功率放大器使用。本研究應(yīng)用成都海威華芯科技有限公司GaAs-0.25 μm贗高電子遷移率晶體管(pHEMT)工藝，基于負(fù)載牽引、LRC增益均衡結(jié)構(gòu)和諧波濾除網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于導(dǎo)航定位系統(tǒng)的L波段高效率單片微波集成(MMIC)功率放大器。

1 制約功率放大器效率的因素

理想的Class-E功率放大器的電路結(jié)構(gòu)在1975年由Sokalldian教授提出[4]，如圖1所示。理想功率放大器主要由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、晶體管M1、直流饋電電感L1、并聯(lián)電容C1、串聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)C2和L2、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)等組成。

圖1 Class-E功率放大器的基本結(jié)構(gòu)

理想的E類功率放大器的各元件表達(dá)式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

功率放大器的工作效率與其自身工作狀態(tài)、負(fù)載阻抗、直流饋電電感、寄生電容、輸出匹配電路等因素。下面利用Class-E功率放大器的電路結(jié)構(gòu)，分析這些因素對(duì)功率放大器效率的影響。

1.1 寄生電容對(duì)效率的制約

并聯(lián)電容C1由晶體管漏電極到地的寄生電容和外加電容組成。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓Vdrive小于晶體管M1的閾值電壓Vth，M1處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，寄生電容進(jìn)入充電模式。隨著漏極電壓不斷增加，驅(qū)動(dòng)電壓Vdrive接近晶體管M1的閾值電壓Vth，M1接近開啟狀態(tài)，這時(shí)充電電流幾乎接近零，漏極電壓幾乎不變，但此時(shí)漏極電壓很大。當(dāng)晶體管M1開啟后，寄生電容持續(xù)放電，導(dǎo)致晶體管M1內(nèi)阻Ron消耗相當(dāng)大的功率[5]，并產(chǎn)生熱量，從而降低功率放大器的效率。由此可得寄生電容導(dǎo)致的損耗為：

(6)

其中：Ploss為寄生電容導(dǎo)致的損耗；Pout為輸出功率；RL為輸出端等效阻抗。為了減小寄生電容對(duì)效率的制約作用，采用GaAs pHEMT器件。一方面，GaAs工藝的金屬層(金)比硅工藝的金屬層(鋁和銅)具有更低的阻抗，采用MIM電容可提供更高的品質(zhì)因數(shù)和更低的損耗；另一方面，GaAs半絕緣襯底還可以減小晶體管源極和漏極的寄生電容，從而使GaAs器件在給定的頻率下具有較Si器件更高的效率。

1.2 直流饋電電感對(duì)效率的制約

Class-E功率放大器的電路中，直流饋電電感L1既可以采用扼流線圈LCK，也可以直接采用電感值合適的有限電感L。假如采用扼流線圈LCK，則A類、B類、AB類、C類等功率放大器的漏極電壓為2Vdd，而開關(guān)模式功率放大器的漏極電壓可以達(dá)到3.57Vdd以上，這將會(huì)導(dǎo)致Class-E功率放大器承受過(guò)高的電壓而容易被擊穿[6]。另外，如果Class-E功率放大器采用扼流線圈LCK，將會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的功率損耗，功率附加效率PAE也會(huì)大大降低。很多研究成果表明，采用電感值合適的電感L來(lái)代替扼流線圈LCK，可有效提高功率附加效率PAE。本研究采用有限螺旋電感L，其漏極電壓將下降到2.8Vdd，不僅減小了晶體管承受的壓力，提高系統(tǒng)的可靠性，而且降低了功率放大器的功率損耗，有效提高了功率附加效率PAE。

1.3 輸出匹配電路對(duì)效率的制約

匹配電路損耗主要由電感L2的寄生電阻Re引起的，由此可得匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗為：

(7)

式中Q為電感的品質(zhì)因數(shù)。由此可得匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗Ploss主要是由輸出端等效阻抗RL決定的，而由式(5)可得RL主要與電源電壓Vdd和輸出功率Pout有關(guān)。在給定的電感品質(zhì)因數(shù)Q的情況下，為了減小匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗，一方面可以選用合適的有限電感L，適當(dāng)提高電源電壓Vdd；另一方面可以選擇合適的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，盡可能地降低這部分損耗。在Class-E功率放大器的匹配過(guò)程中，采用π型匹配網(wǎng)絡(luò)，不僅可以提高功率放大器的效率，而且在一定程度上起到抑制諧波的作用。

2 電路設(shè)計(jì)

為了滿足高效率、高增益的要求，設(shè)計(jì)了一款由三級(jí)放大電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成的GaAs pHEMT MMIC功率放大器，功率放大器整體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MMIC功率放大器整體電路結(jié)構(gòu)

2.1 器件選型

目前，隨著GaAs工藝的不斷發(fā)展與成熟，GaAs基MMIC放大器成為學(xué)術(shù)界熱門的研究領(lǐng)域之一。GaAs跨導(dǎo)高，增益大，而且GaAs工藝的金屬層(金)比硅工藝的金屬層(鋁和銅)具有更低的阻抗，因此GaAs基的螺旋電感和MIM電容可提供更高的品質(zhì)因數(shù)和更低的損耗；而且GaAs半絕緣襯底可以減小相應(yīng)寄生參數(shù)，使得GaAs基器件具有更高的效率。因此，GaAs工藝在MMIC放大器的應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)[7]。

另一方面，贗高電子遷移率晶體管(pHEMT)是高電子遷移率晶體管(HEMT)的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)。GaAs pHEMT的異質(zhì)結(jié)能帶圖如圖3所示。pHEMT的結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)i-InGaAs/i-GaAs異質(zhì)結(jié)(勢(shì)壘高度約為0.17 eV)，使得i-InGaAs溝道層成為一個(gè)量子阱，二維電子氣(2-DEG)即處于此量子阱中。因此，與普通HEMT相比，pHEMT具有更大的電子面密度(約高2倍)和更高的電子遷移率?？傊琾HEMT雙異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，不僅改善器件的輸出伏安特性，而且極大提高了器件閾值電壓的溫度穩(wěn)定性，從而使得pHEMT器件具有更大的跨導(dǎo)、更高的輸出功率以及更強(qiáng)的電流處理能力。

圖3 GaAs pHEMT的異質(zhì)結(jié)能帶圖

具體而言，GaAs pHEMT與常規(guī)HEMT比較具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)因?yàn)榧由狭薎nGaAs層，pHEMT器件獲得了更為穩(wěn)定的低溫特性；2)與產(chǎn)生復(fù)合噪聲有關(guān)的陷阱被大大降低，這有利于降低1/f噪聲；3)GaAs層具有更高的電子遷移率，有益于提高增益；4)改善了載流子的限制狀態(tài)，從而降低輸出電導(dǎo)，起到降低功率損耗、提高功率附加效率的作用。所以采用0.25 μm GaAs pHEMT晶體管。

2.2 LRC增益均衡網(wǎng)絡(luò)

Class-E功率放大器的增益易出現(xiàn)紋波和不平坦的現(xiàn)象，甚至在倍頻程能相差10 dB以上。設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，通常采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)改善增益平坦度，但是負(fù)反饋結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致功率損耗以及PAE下降，不適合應(yīng)用于高效率功率放大器中。而利用增益均衡電路對(duì)功率增益進(jìn)行修正，不僅可以有效改善增益平坦度，而且對(duì)功率損耗和PAE影響較小。因此，在功率放大器輸入級(jí)引入一種新型的LRC增益均衡網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

圖4 增益均衡網(wǎng)絡(luò)

圖4(a)是其中一種增益均衡網(wǎng)絡(luò)的基本集總元件電路形式，該類增益均衡網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性是在諧振頻率處衰減最大，而對(duì)低于和高于諧振頻率的部分衰減變小，呈現(xiàn)倒鐘形的幅頻特性；圖4(b)也是增益均衡網(wǎng)絡(luò)的基本集總元件電路形式之一，該類增益均衡網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性是單調(diào)的，在諧振頻率處不衰減，而頻率越低的部分衰減越大[8]。功率放大器的增益隨著頻率的升高而降低，圖4(b)這種電路形式的增益均衡網(wǎng)絡(luò)也適合用于增益平坦化，但由于電阻相當(dāng)于接入放大電路中，導(dǎo)致增益衰減過(guò)大，所以采用如圖4(c)所示的LRC增益均衡網(wǎng)絡(luò)。圖4(c)的增益均衡網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性與圖4(b)的相似，但是其插入衰減更低，從而使功率放大器具有平坦化的高增益。

2.3 輸出級(jí)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是0.25 μm GaAs pHEMT晶體管，該晶體管的閾值電壓Vth為-1.1 V，適用于中小功率放大器，可實(shí)現(xiàn)多種MMIC。另一個(gè)方面，晶體管的尺寸對(duì)于輸出功率有著至關(guān)重要的影響，尺寸過(guò)大易引起寄生電容，導(dǎo)致電路性能降低；而尺寸過(guò)小會(huì)影響驅(qū)動(dòng)能力，使晶體管發(fā)生擊穿甚至燒毀。因此，經(jīng)過(guò)對(duì)每一級(jí)晶體管進(jìn)行性能評(píng)估后，為了滿足高效率和高輸出功率的要求，本設(shè)計(jì)選用8×125 μm晶體管，另外輸出級(jí)的電壓偏置為：柵極電壓Vgs=-1.0 V、漏極電壓Vds=8.0 V，使功率放大器工作在Class-E放大狀態(tài)。

本功率放大器的輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用4個(gè)8×125 μm晶體管并聯(lián)結(jié)構(gòu)，利用晶體管并聯(lián)結(jié)構(gòu)增加放大電路的輸出電壓來(lái)達(dá)到增大輸出功率的目的。通過(guò)前文的分析，偏置電路中采用有限電感L1、L2取代扼流線圈LCK，C1和C2是大電容，諧振頻率為1575 MHz，主要用于將射頻信號(hào)引入片內(nèi)交流地中，從而防止射頻信號(hào)到達(dá)電源。設(shè)計(jì)匹配電路采用π型匹配網(wǎng)絡(luò)，盡量減少片內(nèi)螺旋電感的使用，C3、L3和C4組成級(jí)間π型匹配結(jié)構(gòu)，C6、L6和C7組成輸出級(jí)π型匹配結(jié)構(gòu)，該匹配電路具有較好的可調(diào)性。另一方面，輸出級(jí)的輸入信號(hào)中存在各次諧波，因此L4和C4構(gòu)成低通濾波網(wǎng)絡(luò)，起到濾除高頻雜波的作用；輸出端的C5和L5構(gòu)成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，諧振頻率為1575 MHz，用于抑制無(wú)用頻信號(hào)；同時(shí)L5和C6構(gòu)成并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)諧振電路在一定頻率下比串聯(lián)諧振電路更加靈活，主要用于抑制高次諧波。采用該輸出級(jí)電路網(wǎng)絡(luò)，不僅有利于提高整體功率放大器的功率附加效率PAE和輸出功率Pout，而且在一定程度上抑制高次諧波、實(shí)現(xiàn)較好的線性度。

圖5 功率放大器輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)

整體功率放大器由三級(jí)放大電路組成，在輸入級(jí)引入LRC增益均衡網(wǎng)絡(luò)，匹配電路采用較為靈活的π型匹配網(wǎng)絡(luò)，在輸出級(jí)電路中引入LC諧振網(wǎng)絡(luò)。為了利于調(diào)整功率放大器的性能參數(shù)，所需偏置電路由片外提供，其他部分的元件都在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)。功率放大器版圖如圖6所示，所用電感為片內(nèi)螺旋電感，所用電容為MIM電容，所用電阻為薄膜電阻，對(duì)整體電路進(jìn)行合理布局、布線，避免級(jí)間電流回流的影響，盡量減少寄生參數(shù)的影響。

圖6 功率放大器版圖

圖7 功率放大器的功率增益曲線

3 仿真結(jié)果與分析

基于0.25 μm GaAs pHEMT工藝，設(shè)計(jì)了一款中心頻率為1575 MHz的高效率MMIC功率放大器。利用ADS軟件，對(duì)功率放大器原理圖進(jìn)行S參數(shù)仿真和HB諧波仿真，并對(duì)版圖進(jìn)行DRC和LVS驗(yàn)證以及版圖電磁仿真，最后將原理圖和版圖進(jìn)行聯(lián)合仿真。功率放大器的S參數(shù)、功率增益Gp、端口駐波比VSWR、輸出功率Pout以及功率附加效率ηPAE等仿真結(jié)果如下：

圖7所示為功率放大器功率增益的仿真曲線，在1475～1675 MHz頻帶內(nèi)，功率增益大于32.5 dB，最大值為33.23 dB，最小值為32.654 dB，其功率增益平坦度為±0.288 dB。結(jié)果表明在輸入端引入LRC增益均衡網(wǎng)絡(luò)不僅可以有效改善增益平坦度，而且對(duì)增益衰減的影響非常小。

圖8為功率放大器的輸入輸出端口電壓駐波比(VSWR)的仿真曲線。由圖8可看出，在1475～1675 MHz頻率范圍內(nèi)，輸入端口電壓駐波比(VSWR1)均小于2，輸出端口電壓駐波比(VSWR2)均小于1.8，表明功率放大器的輸入輸出匹配良好，工作帶寬可以達(dá)到200 MHz。

圖8 功率放大器的VSWR曲線

功率放大器輸出功率Pout和功率附加效率ηPAE隨頻率f變化的曲線如圖9所示。由圖9可知，在1575 MHz中心頻率時(shí)，功率放大器ηPAE可達(dá)到62.3%；在1475～1675 MHz工作頻帶內(nèi)輸出功率大于33.5 dBm，ηPAE達(dá)到55%以上。

圖9 輸出功率和ηPAE曲線

表1為設(shè)計(jì)的高效率MMIC功率放大器性能與近幾年已發(fā)表的有關(guān)高效率功率放大器的性能指標(biāo)對(duì)比情況。結(jié)果表明，提出的功率放大器具有高輸出功率、高功率附加效率的優(yōu)異性能。

表1 與其他高效率功率放大器的性能對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

基于0.25 μm GaAs pHEMT工藝，設(shè)計(jì)了一款L波段MMIC功率放大器芯片。通過(guò)采用負(fù)載遷移技術(shù)、靈活的匹配形式和LRC增益均衡網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了高效率和平坦化高增益的目標(biāo)。結(jié)果表明，在1475～1675 MHz頻率范圍下，功率增益為32.65～33.23 dB，功率增益平坦度為±0.29 dB，功率附加效率為55%～62.3%，輸出功率為33.5～34.2 dBm。該MMIC功率放大器高輸出功率、高效率以及平坦化高增益的良好性能，對(duì)于導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用極具吸引力。