根据电压控制增益电路理论及放大器设计原理,设计制作了一种基于 GaAs 工艺的可变增益功率放大器单片微波集成电路( MMIC)。采用电路仿真 ADS 软件进行了原理图及版图仿真,研究了增益控制电路在放大器中的位置对性能的影响。最终实现了在 6~9GHz 频率范围内,1 dB 压缩点输出功率大于 33 dBm,当控制电压在-1~0 V 之间变化时,放大器的增益在 5~40dB 之间变化,增益控制范围达到了 35 dB。将功率放大器与增益控制电路制作在同一个单片集成电路上,面积仅为 3.5 mm×2.3 mm,具有灵活易用、集成度高和成本低的特点,可广泛应用于卫星通信和数字微波通信等领域。

 

甚小口径终端(verysmall aperture terminal,VSAT)和数字微波通信(也称 P2P 通信)系统为商用微波无线信息传输系统,具有覆盖范围大、集成化程度高、对所有地点提供相同的业务种类和服容性好、扩容成本低、所需时间短、通信质量好和安装方便的特点。


功率放大器是微波无线信息传输系统的核心元器件,其性能直接影响发射机的作用半径、线性特性以及整个系统的效率,它通常是系统中成本最高的元器件。当代微波无线信息传输系统小型化的趋势越来越明显,这就要求元器件的集成度越来越高。

 

国外开展商用单片功率放大器研究较早,其中日本 Eudyna 公司的产品性能较佳,占领的市场份额最大,美国 Hittite 公司和 Triquint 公司也在近两年推出了相应的产品。中国在 GaAs 材料生长和器件研制方面也积极开展了相关的研究工作。

 

由于该功率放大器应用于商用领域,所以对其性能和成本都有较高的要求,本文通过电路设计,将常规功率放大器的功能进行扩展,增加增益控制功能,能够在实现系统小型化的同时,降低成本,同时,不会影响功率放大器的输出功率和效率等相关指标。

 

本文采用目前制作微波单片集成电路成熟的 GaAs 赝高电子迁移率晶体管( pseudomorphic high electron mobility transistor,PHEMT)工艺进行多功能功率放大器的研制,其工艺稳定,成品率高,在缩短研发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单片集成电路的面积与同样指标的功率放大器面积一样,约为 8 mm2,传统室外单元的电压控制可变衰减器(voltage variable attenuator,VVA)的面积约为 1.7 mm2,可见文中的多功能功率放大器将芯片面积节省了 17.5%,有利于系统的小型化和成本的降低。

 

1 增益控制电路的设计原理

增益控制电路的作用是通过改变控制电压,达到改变放大器增益的目的。增益控制电路在放大器中的位置至关重要,若放置于放大器的末级,会由于自身的损耗而影响输出功率,放置于中间,会使放大器的中间级因无法将末级推饱和,从而影响效率。通过以上分析,将增益控制电路放置于放大器的第一级。

 

增益控制电路的原理如图 1 所示,由两个场效应晶体管(field effect transistor,FET)组成,FET1 的漏极与 FET2 的源极连接在一起,射频信号从 FET1 的栅极输入,从 FET2 的漏极输出。图 1 中:Vc 为控制电压;Vgs 为栅压;Vdd 为漏压;V1 表示两个 FET 连接点的电压;Ids 为 FET1 和 FET2 的漏极到源极的电流,图 1 中 FET1 的源极和 FET2 的漏极连接于同一节点,所以 Ids 同时流经 FET1 和 FET2。该电路通过改变 Vc 的电压值来改变增益。

 

图 1 增益控制电路拓扑图

 

FET 工作在饱和区时的跨导 gm,Ids 与 Vgs 的关系如图 2 所示。FET1 的栅压 Vgs 保持不变,则源漏电阻值的变化不会很大,在工作点的阻抗约为 10Ω,由欧姆定律可知,V1 的电压值由 Ids 决定。FET2 的漏压 Vds 保持不变,Vc 变化时,FET2 的栅压相应变化,由图 2 的曲线可以看出,当栅压变化时,gm 会产生变化,FET2 的放大倍数则相应改变。同时,FET2 的栅压变化时,根据图 3,Ids 会有较大的变化。根据之前的分析,Ids 变化时,V1 的值也会相应产生较大的变化,当 V1 小于 1V 时,FET1 工作在图 3 中的线性区,增益受漏压影响较大,所以当 V1 变化时,FET1 的放大倍数也会相应变化。这样,FET1 和 FET2 的增益都受 Vc 的控制,其共同的增益变化量成为功率放大器的增益变化范围。

 

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图 2 gm,Ids 与 Vgs 的关系曲线

 

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图 3 Vds,Vgs 与 Ids 的关系曲线

 

2 功率放大器的设计原理

本文选用中国电子科技集团公司第十三研究所 GaAs PHEMT 工艺线的模型进行功率放大器的设计,GaAs PHEMT 场效应管总栅宽 1mm 的输出功率为 0.6 W,若需要输出 33 dBm,即 2W 功率,末级总栅宽需 4mm,使用 4 个功率单元,每个单元总栅宽 1 mm。要得到高效率的功率放大器,需要仔细考虑每一级场效应管的总栅宽比,可以达到最大效率。

 

根据设计目标确定相应的电路拓扑结构,拓扑结构的选择决定着整个电路的性能,对有源器件进行负载牵引,找出有源器件能够输出最大功率时的输入和输出阻抗在阻抗圆图上的位置。本文所用 1 mm 栅宽模型如图 4 所示,图 4(a)为模型版图形,用于进行器件建模,图 4(b)为通过测量参数拟合的大信号模型。输出匹配网络的设计着眼于最大的功率输出,拓扑结构如图 5 所示。

图 4 1 mm 栅宽器件模型

 

图 5 功率放大器拓扑结构

 

3 CAD 设计仿真与测试结果

按照图 1 和图 5 的拓扑结构,使用 ADS 仿真工具结合 GaAs PHEMT 工艺模型,对电路进行设计和优化。

 

利用 ADS 对功率放大器单片集成电路的无源元件进行结构设计和优化,调整电容、带线等匹配元件的尺寸,对电路的工作频带、增益、驻波、输出功率和效率等参数进行优化,利用 ADS 中的谐波平衡仿真软件进行大信号仿真,并对版图进行电磁场仿真。ADS 仿真包括原理图仿真和版图仿真,在原理图仿真中,取得电路各个元件的初值,并按照设计目标进行优化,但是原理图仿真只考虑了有源器件、金属带线等器件的独立测试模型,并未考虑版图中器件之间的相互耦合,得到的元件值与实际情况是有差距的。为了精简单片集成电路面积,器件间距接近单倍线距,必须考虑线间耦合对放大器性能的影响,因此,使用 2.5D 版图仿真工具 MOMENTUM,采用矩量法对电路的线间耦合及层间耦合进行了电磁场仿真。

 

图 6 功率放大器的仿真及测试结果

 

图 6 中的虚线是经过优化之后的放大器版图电磁场仿真结果,实线为测试结果。由图中可知增益控制范围为 35 dB,1 dB 压缩点输出功率 Po(1 dB)在频带内都大于 33 dBm,功率附加效率ηPAE 大于 30%。本文设计的带增益控制功能的功率放大器单片集成电路采用 GaAs 工艺进行流片验证,并进行载体测试,单片集成电路的安装采用装架和键合工艺,安装完成的载体如图 7 所示。分析仿真和实测结果,增益变化曲线在 Vc 为 0,-0.2,-0.4 和-0.6V 吻合得较好,在 Vc 为-0.8V 和-1V 时有一定的偏差,实测的增益比仿真要低 2~4dB,原因可能是当 FET 的栅压偏置在-0.8V 和-1V 时,比较接近夹断区,模型跨导的拟合准确性较差,实际该偏置下的跨导比模型的拟合值要低。1dB 压缩点输出功率和功率附加效率的实测曲线和仿真曲线吻合得较好,该两项指标都是在 Vc=-0.6V 时进行测试的,此时放大器工作在饱和区,模型拟合值在该区域比较接近实际值,所以该两项指标与仿真结果吻合得较好。

 

图 7 载体安装完成图

 

4 结论

在带增益控制功能的单片集成电路功率放大器设计中,本文分析了增益控制电路原理、增益控制对功率放大器指标的影响;使用电磁场仿真工具,在保证电路性能基础上精简版图面积,极大地降低了单片集成电路成本;通过流片和测试,验证了单片集成电路设计方法和思路的正确性和可行性;在不增加功率放大器单片集成电路面积和降低性能的情况下加入了增益控制功能,降低了成本,在卫星通信和数字微波通信等领域具有广泛的应用前景。