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)的線性度對(duì)系統(tǒng)總體的線性度影響很明顯。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)也用于滿足藍(lán)牙和無(wú)線局域網(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)功放后輸出非線性增加明顯。

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

    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(V_be)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)V_be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箭頭所指虛線框電路。應(yīng)用該線性補(bǔ)償電路可以有效地改善功放線性度實(shí)現(xiàn)增益擴(kuò)張。如圖3所示，調(diào)整偏置電路電容C_L值分別為0、1 pF和5 pF，可以看出基-發(fā)射結(jié)電壓(V_be)在輸入大信號(hào)時(shí)隨C_L增加而改善明顯，即調(diào)整電容C_L可以很有效地引起該級(jí)功放的增益擴(kuò)張。

    該偏置電路通過(guò)調(diào)整偏置電路中的偏置電阻R_bias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R_bias的阻值為0、20 Ω和50 Ω，可以看出基-發(fā)射結(jié)電壓(V_be)在輸入大信號(hào)時(shí)隨R_bias增加而明顯惡化，即增大R_bias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C_L和偏置電阻R_bias進(jìn)行折中處理，可以在保證增益擴(kuò)張的同時(shí)，盡可能地滿足本設(shè)計(jì)通過(guò)偏置條件改善IMD3的要求。

2.2 F類輸出匹配網(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)類功率放大器可以獲得100%的效率。F類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。

    理想的F類輸出匹配網(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L_C為第一級(jí)連接電源的扼流電感，且參與級(jí)間匹配；電容C_b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)。

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；虛線框所示為級(jí)間諧波抑制網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)不僅可以優(yōu)化IMD3，還可以優(yōu)化F類輸出匹配網(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)了沒有級(jí)間諧波抑制網(wǎng)絡(luò)及IMD3消除技術(shù)的功放。

    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3 mm×3 mm。如圖9，線框部分為功放的級(jí)間諧波抑制網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的電感通過(guò)芯片PAD向基板打金線實(shí)現(xiàn)；如果沒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。

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。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%。

    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)線接入鄰道泄漏率(UTRAACLR1)分別為-38.4 dBc和-37.8 dBc，線性度略好；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)。

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3 mm×3 mm。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性度，相比其他同類型功放也有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

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