基于GaAs工藝的可變?cè)鲆婀β史糯笃鞯膽?yīng)用設(shè)計(jì)

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(voltage variable attenuator,VVA)的面積約為1.7 mm2,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(field effect transistor,FET)組成，F(xiàn)ET1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?fù)浣Y(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

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。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( pseudomorphic high electron mobility transistor,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。