一款高三階交調(diào)點(diǎn)的GaAs射頻放大器
1 理論分析與電路設(shè)計(jì)
1.1 電路結(jié)構(gòu)
異質(zhì)結(jié)晶體管 (Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)。在目前主流的砷化鎵材料器件中，HBT 因具有很強(qiáng)的電流放大能力，從而被越來(lái)越多應(yīng)用到放大器的設(shè)計(jì)當(dāng)中。HBT 的集電極（C）、基極（B）、發(fā)射極（E）使用不同材料制成，所以被稱(chēng)做異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件。使用了更薄的基極材料HBT 的晶體管禁帶更寬，發(fā)射極的注入效率提高，所以使晶體管的截止頻率變大，功率增益更高。晶體管的電流是垂直走向，所以具有很高的電流密度，因?yàn)镠BT 具備的這些特點(diǎn)，所以本文選擇采用HBT 工藝對(duì)放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。
達(dá)林頓結(jié)構(gòu)是一個(gè)將晶體管串接起來(lái)的結(jié)構(gòu)。將第1 個(gè)晶體管的發(fā)射極接到第2 個(gè)晶體管的基極，集電極相互連接。這樣的鏈接結(jié)構(gòu)可以提高放大器增益的晶體管結(jié)構(gòu)。
與典型的放大結(jié)構(gòu)相比，達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有：輸入阻抗高；帶寬較大，成本低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不需要復(fù)雜匹配，面積小。
這使得達(dá)林頓結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的電流放大能力，較高的功率增益，并且有良好的增益平坦度。利用這個(gè)特性我們可以用這個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)高增益高線性度的放大器。所以本文選擇以達(dá)林頓結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化后對(duì)此款放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。
1.2 電路設(shè)計(jì)
對(duì)于寬帶放大器而言，線性度是一個(gè)可以評(píng)價(jià)性能的重要參數(shù)指標(biāo)。在設(shè)計(jì)放大器時(shí)使用的晶體管是非線性的，當(dāng)在小信號(hào)情況下，晶體管的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)呈現(xiàn)線性的關(guān)系，此時(shí)可以忽略放大器的非線性。但當(dāng)輸入信號(hào)功率變大或者信號(hào)頻率增加的時(shí)候，輸出信號(hào)的非線性會(huì)表現(xiàn)的很明顯。其中主要包括增益降低，諧波失真，交調(diào)失真等非線性情況。
1.3 仿真設(shè)計(jì)
為了提高放大器的線性度，設(shè)計(jì)時(shí)在前文介紹的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了偏置結(jié)構(gòu)。晶體管Q1與電阻R1，R2，R3組成的偏置結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定電路的直流偏置點(diǎn)，提高電路的線性度。同時(shí)可以使得電路在高溫和低溫狀態(tài)下的工作性能可以盡量與常溫狀態(tài)下保持一致。Q2與Q3，Q4~Q9晶體管組成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。因?yàn)楣β瘦^高第二級(jí)晶體管上需要通過(guò)較大的電流，所以在設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了并聯(lián)晶體管的方式，降低了每個(gè)晶體管上通過(guò)的電流，降低可能因?yàn)殡娏鬟^(guò)大的產(chǎn)生的熱效應(yīng)，提高晶體管的耐功率裕度，并且并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以降低電路的噪聲系數(shù)。電阻R6~R13在晶體管的發(fā)射極連接到地電位，起到負(fù)反饋的作用[5]
2 測(cè)試與驗(yàn)證分析
電路采用SOT89 塑封封裝管殼，應(yīng)用驗(yàn)證板如圖4。測(cè)試條件為電源電壓VCC=5 V。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)電路進(jìn)行三階交調(diào)截止點(diǎn)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，三階交調(diào)點(diǎn)測(cè)試曲線如圖5。器件的工作頻率為10 MHz~4 GHz。在輸入信號(hào)100 MHz ~1 GHz 范圍內(nèi)，輸出三階交調(diào)點(diǎn)超過(guò)40 dBm。且能夠保證功率增益達(dá)到20 dB，且增益曲線平坦，輸出1 dB 壓縮點(diǎn)達(dá)到21 dBm，電路在大功率輸入情況下也擁有較好的線性度。測(cè)試結(jié)果表明實(shí)際測(cè)試與仿真結(jié)果基本一致，電路實(shí)現(xiàn)了高三階交調(diào)點(diǎn)。說(shuō)明本文中采用的以達(dá)林頓結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，添加偏置結(jié)構(gòu)對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化的方法可行有效。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文基于達(dá)林頓晶體管放大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款高增益高三階交調(diào)點(diǎn)的射頻放大器。使用2 μm GaAs HBT 工藝流片設(shè)計(jì)，對(duì)晶體管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了工作帶寬，利用HBT 晶體管搭建的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)抑制了三階諧波分量，提高了OIP3 參數(shù)，輸出三階交調(diào)點(diǎn)40 dBm，提升了電路的線性度。此時(shí)功率增益達(dá)到20 dB，且增益曲線平坦，輸出1 dB 壓縮點(diǎn)達(dá)到21 dBm。電路滿(mǎn)足5G通信使用頻率并具有高增益，高線性度的特點(diǎn)，可用于通信收發(fā)鏈路當(dāng)中，具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：
[1] 宋楠. 基于GaAs HBT 的增益放大器研究與設(shè)計(jì)[D].上海:復(fù)旦大學(xué), 2014.
[2] 張博,李力陽(yáng).0.1~6 GHz 高線性度低功耗 InGaP/GaAs HBT射頻放大器[J].電子元件與材料,2019, 39(10): 59-65.
[3] WEI Y, STAUDINGER J, MILLER M. High efficiency linear GaAs MMIC amplifier for wireless base station and Femto cell applications[C] // 2012 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications. IEEE, 2012: 49-52.
[4] B.RAZAVI. RF Microelectronics, Second Edition[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2016.
[5] COERS M, BOSCH W. DC to 6.5 GHz highly linear low-noise AlGaN/GaN traveling wave amplifier with diode predistortion[C]//2014 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2014). IEEE, 2014: 1-4.
[6] 梁永明.毫米波低噪聲放大器研究與設(shè)計(jì)[D].浙江:杭州電子科技大學(xué),2018.
（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）
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