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根據(jù)電壓控制增益電路理論及放大器設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)制作了一種基于GaAs工藝的可變?cè)鲆?strong>功率放大器單片微波集成電路( MMIC)。采用電路仿真ADS軟件進(jìn)行了原理圖及版圖仿真，研究了增益控制電路在放大器中的位置對(duì)性能的影響。最終實(shí)現(xiàn)了在6～9GHz頻率范圍內(nèi)，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率大于33 dBm，當(dāng)控制電壓在-1～0 V之間變化時(shí)，放大器的增益在5～40dB之間變化，增益控制范圍達(dá)到了35 dB。將功率放大器與增益控制電路制作在同一個(gè)單片集成電路上，面積僅為3.5 mm×2.3 mm，具有靈活易用、集成度高和成本低的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信和數(shù)字微波通信等領(lǐng)域。
甚小口徑終端(verysmall aperture terminal，VSAT)和數(shù)字微波通信(也稱P2P通信)系統(tǒng)為商用微波無(wú)線信息傳輸系統(tǒng)，具有覆蓋范圍大、集成化程度高、對(duì)所有地點(diǎn)提供相同的業(yè) 務(wù)種類(lèi)和服容性好、擴(kuò)容成本低、所需時(shí)間短、通信質(zhì)量好和安裝方便的特點(diǎn)。
功率放大器是微波無(wú)線信息傳輸系統(tǒng)的核心元器件，其性能直接影響發(fā)射機(jī)的作用半徑、線性特性以及整個(gè)系統(tǒng)的效率，它通常是系統(tǒng)中成本最高的元器件。當(dāng)代微波無(wú)線信息傳輸系統(tǒng)小型化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，這就要求元器件的集成度越來(lái)越高。
國(guó)外開(kāi)展商用單片功率放大器研究較早，其中日本Eudyna公司的產(chǎn)品性能較佳，占領(lǐng)的市場(chǎng)份額最大，美國(guó)Hittite公司和Triquint公司也在近兩年推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。中國(guó)在GaAs材料生長(zhǎng)和器件研制方面也積極開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。
由于該功率放大器應(yīng)用于商用領(lǐng)域，所以對(duì)其性能和成本都有較高的要求，本文通過(guò)電路設(shè)計(jì)，將常規(guī)功率放大器的功能進(jìn)行擴(kuò)展，增加增益控制功能，能夠在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化的同時(shí)，降低成本，同時(shí)，不會(huì)影響功率放大器的輸出功率和效率等相關(guān)指標(biāo)。
本文采用目前制作微波單片集成電路成熟的GaAs贗高電子遷移率晶體管(PHEMT)工藝進(jìn)行多功能功率放大器的研制，其工藝穩(wěn)定，成品率高，在縮短研發(fā)周期和降低成本方面具有不可替代的地位。本文研制 的多功能功率放大器單片集成電路的面積與同樣指標(biāo)的功率放大器面積一樣，約為8 mm2，傳統(tǒng)室外單元的電壓控制可變衰減器(VVA)的面積約為1.7mm2，可見(jiàn)文中的多功能功率放大器將芯片面積節(jié)省了17.5%，有利于系統(tǒng)的小型化和成本的降低。
1 增益控制電路的設(shè)計(jì)原理
增益控制電路的作用是通過(guò)改變控制電壓，達(dá)到改變放大器增益的目的。增益控制電路在放大器中的位置至關(guān)重要，若放置于放大器的末級(jí)，會(huì)由于自身的損耗而影響輸出功率，放置于中間，會(huì)使放大器的中間級(jí)因無(wú)法將末級(jí)推飽和，從而影響效率。通過(guò)以上分析，將增益控制電路放置于放大器的第一級(jí)。
增益控制電路的原理如圖1所示，由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成，FET1的漏極與FET2的源極連接在一起，射頻信號(hào)從FET1的柵極輸入，從FET2的漏極輸出。圖1中:Vc為控制電壓;Vgs為柵壓;Vdd為漏壓;V1表示兩個(gè)FET連接點(diǎn)的電壓;Ids為FET1和FET2的漏極到源極的電流，圖1中FET1的源極和FET2的漏極連接于同一節(jié)點(diǎn)，所以Ids同時(shí)流經(jīng)FET1和FET2。該電路通過(guò)改變Vc的電壓值來(lái)改變?cè)鲆妗?/p>
圖1 增益控制電路拓?fù)鋱D FET工作在飽和區(qū)時(shí)的跨導(dǎo)gm，Ids與Vgs的關(guān)系如圖2所示。FET1的柵壓Vgs保持不變，則源漏電阻值的變化不會(huì)很大，在工作點(diǎn)的阻抗約為10Ω，由歐姆定律可知，V1的電壓值由Ids決定。FET2的漏壓Vds保持不變，Vc變化時(shí)，F(xiàn)ET2的柵壓相應(yīng)變化，由圖2的曲線可以看出，當(dāng)柵壓變化時(shí)，gm會(huì)產(chǎn)生變化，F(xiàn)ET2的放大倍數(shù)則相應(yīng)改變。同時(shí)，F(xiàn)ET2的柵壓變化時(shí)，根據(jù)圖3，Ids會(huì)有較大的變化。根據(jù)之前的分析，Ids變化時(shí)，V1的值也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生較大的變化，當(dāng)V1小于1V時(shí)，F(xiàn)ET1工作在圖3中的線性區(qū)，增益受漏壓影響較大，所以當(dāng)V1變化時(shí)，F(xiàn)ET1的放大倍數(shù)也會(huì)相應(yīng)變化。這樣，F(xiàn)ET1和FET2的增益都受Vc的控制，其共同的增益變化量成為功率放大器的增益變化范圍。
圖2 gm，Ids與Vgs的關(guān)系曲線
圖3 Vds，Vgs與Ids的關(guān)系曲線
2 功率放大器的設(shè)計(jì)原理
本 文選用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所GaAs PHEMT 工藝線的模型進(jìn)行功率放大器的設(shè)計(jì)，GaAs PHEMT 場(chǎng)效應(yīng)管總柵寬1mm的輸出功率為0.6 W，若需要輸出33 dBm，即2W 功率，末級(jí)總柵寬需4mm，使用4個(gè)功率單元，每個(gè)單元總柵寬1 mm。要得到高效率的功率放大器，需要仔細(xì)考慮每一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管的總柵寬比，可以達(dá)到最大效率。
根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)確定相應(yīng)的電路拓 撲結(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇決定著整個(gè)電路的性能，對(duì)有源器件進(jìn)行負(fù)載牽引，找出有源器件能夠輸出最大功率時(shí)的輸入和輸出阻抗在阻抗圓圖上的位置。本文所用1 mm柵寬模型如圖4 所示，圖4(a)為模型版圖形，用于進(jìn)行器件建模，圖4(b)為通過(guò)測(cè)量參數(shù)擬合的大信號(hào)模型。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)著眼于最大的功率輸出，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖4 1 mm柵寬器件模型
圖5 功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 3 CAD設(shè)計(jì)仿真與測(cè)試結(jié)果
按照?qǐng)D1和圖5的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用ADS仿真工具結(jié)合GaAs PHEMT工藝模型，對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
利用ADS對(duì)功率放大器單片集成電路的無(wú)源元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，調(diào)整電容、帶線等匹配元件的尺寸，對(duì)電路的工作頻帶、增益、駐波、輸出功率和效率等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，利用ADS中 的諧波平衡仿真軟件進(jìn)行大信號(hào)仿真，并對(duì)版圖進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真。ADS仿真包括原理圖仿真和版圖仿真，在原理圖仿真中，取得電路各個(gè)元件的初值，并按照設(shè)計(jì) 目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，但是原理圖仿真只考慮了有源器件、金屬帶線等器件的獨(dú)立測(cè)試模型，并未考慮版圖中器件之間的相互耦合，得到的元件值與實(shí)際情況是有差距的。 為了精簡(jiǎn)單片集成電路面積，器件間距接近單倍線距，必須考慮線間耦合對(duì)放大器性能的影響，因此，使用2.5D版圖仿真工具M(jìn)OMENTUM，采用矩量法對(duì) 電路的線間耦合及層間耦合進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真。
圖6 功率放大器的仿真及測(cè)試結(jié)果
圖6中的虛線是經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后的放大器版圖電磁場(chǎng)仿真結(jié)果，實(shí)線為測(cè)試結(jié)果。由圖中可知增益控制范圍為35 dB，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率Po(1 dB)在頻帶內(nèi)都大于33 dBm，功率附加效率ηPAE大于30%。本文設(shè)計(jì)的帶增益控制功能的功率放大器單片集成電路采用GaAs工藝進(jìn)行流片驗(yàn)證，并進(jìn)行載體測(cè)試，單片集成電路的安裝采用裝架和鍵合工藝，安裝完成的載體如圖7所示。分析仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果，增益變化曲線在Vc為0，-0.2，-0.4和-0.6V吻合得較好，在Vc為 -0.8V和-1V時(shí)有一定的偏差，實(shí)測(cè)的增益比仿真要低2～4dB，原因可能是當(dāng)FET的柵壓偏置在-0.8V和-1V時(shí)，比較接近夾斷區(qū)，模型跨導(dǎo)的 擬合準(zhǔn)確性較差，實(shí)際該偏置下的跨導(dǎo)比模型的擬合值要低。1dB壓縮點(diǎn)輸出功率和功率附加效率的實(shí)測(cè)曲線和仿真曲線吻合得較好，該兩項(xiàng)指標(biāo)都是在Vc=-0.6V時(shí)進(jìn)行測(cè)試的，此時(shí)放大器工作在飽和區(qū)，模型擬合值在該區(qū)域比較接近實(shí)際值，所以該兩項(xiàng)指標(biāo)與仿真結(jié)果吻合得較好。
圖7 載體安裝完成圖
4 結(jié)論
在帶增益控制功能的單片集成電路功率放大器設(shè)計(jì)中，本文分析了增益控制電路原理、增益控制對(duì)功率放大器指標(biāo)的影響;使用電磁場(chǎng)仿真工具，在保證電路性能基礎(chǔ) 上精簡(jiǎn)版圖面積，極大地降低了單片集成電路成本;通過(guò)流片和測(cè)試，驗(yàn)證了單片集成電路設(shè)計(jì)方法和思路的正確性和可行性;在不增加功率放大器單片集成電路面 積和降低性能的情況下加入了增益控制功能，降低了成本，在衛(wèi)星通信和數(shù)字微波通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
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