一種適用于功率放大器的InGaP/GaAs HBT預失真電路

胡善文，錢罕杰，孫曉紅，張曉東，高 懷*

1.東南大學國家ASIC系統工程技術研究中心， 南京210096；

2.東南大學蘇州研究院高頻高功率器件與集成技術研究中心， 江蘇 蘇州 215123；

3.蘇州工業園區教育投資發展有限公司＆蘇州英諾迅科技有限公司射頻功率器件及電路技術中心， 江蘇 蘇州 215123

功率放大器是現代無線通信收發器系統中非常重要的組成部分，功放特性的好壞直接影響整個通信系統的性能。隨著第三代移動通訊技術的迅猛發展，改善功率放大器的線性度已成為無線通訊中一個極為重要的課題，也是近年來國內外研究的一個重點和熱點。目前，常用的線性化技術包括：功率回退技術[1]、前饋技術[2]、負反饋技術[3]、預失真技術[4-5]等。功率回退技術是一種簡單實用的傳統技術，它是把功率較大的晶體管回退到一定的值作小功率使用來提高功放的線性度。該技術雖然實現簡單，但大大降低了功放的利用率，在效率要求較高的功率放大系統中不太適用。前饋技術雖然可以很好地改善功放的線性度，但是采用開環電路實現，所有器件的特性隨時間的變化不能被補償，且電路結構復雜，成本較高。負反饋法可以控制功放輸入輸出阻抗，減小功放對電路元件特性變化的敏感性。預失真技術具有電路結構簡單、電源效率高、成本低、易于高頻和寬帶應用。

本文采用具有串、并聯負反饋網絡的有源預失真電路作為功率放大器的輸入級電路。通過調整負反饋網絡來產生預失真電路的增益擴張及相位偏移，達到對功率放大器后級電路補償的目的，以此提高整級功率放大器的線性度。

1 預失真電路

一般的功率放大器具有如圖1所示的幅度調制(AM-AM)與相位調制(AM-PM)特性，將產生增益壓縮與正的相位偏差。

圖1 歸一化后傳統放大電路的功率增益與相位

本文提出的預失真電路如圖2 所示。圖中，RfCf與晶體管共同構成一個并聯負反饋網絡， RE與晶體管構成一個串聯負反饋網絡。并聯負反饋網絡使輸入阻抗減小，而串聯負反饋網絡使輸入阻抗增大，合理調整這兩種負反饋網絡的反饋系數易于獲得寬帶的輸入匹配。此外，這兩種負反饋網絡使功率增益更加穩定。由下面的分析可知，此電路可獲得增益擴張和負的相位偏差，可以補償后級電路的增益壓縮和正的相位偏差。

圖2 共集電極預失真放大電路

2 電路分析

2.1 預失真技術原理分析

預失真技術主要是在功放的前端插入一個與功放的幅度與相位特性相反的預失真器，使得進入放大器的信號提前有一個失真，與功放的幅度與相位特性曲線疊加作用后，擴展電路的線性范圍。其原理圖如圖3所示。

圖3 預失真技術原理圖

2.2 小信號分析

對該預失真放大電路進行小信號分析，其小信號等效電路如圖4 所示。其中， β、Cπ、Rπ分別為晶體管的電流放大系數、發射結電容、發射結電阻， Zin是從信號源輸入端看進去的阻抗。

圖4 放大電路的小信號等效模型

由小信號模型可知

其中

把式(3)、(4)和(5)、 (6)分別代入式(1)、(2)中，整理可得

令Rπ→+∞，可得

其中

把式(8)、(9)和(10)、 (11)分別代入式(7)中，整理可得

可得

電路的功率增益滿足

由式(14)可以看出，該預失真電路的功率增益與其輸入阻抗成線性關系。分析式(12)可知，當工作頻率ω大于某一定值時，預失真電路的輸入阻抗的模值為一個常數，表明該預失真電路具有寬帶匹配特性。分析式(13)可知，該預失真電路將產生負相位偏移，且與工作頻率成反比關系。

3 電路仿真

基于Microwave Office軟件對圖3所示的預失真放大電路進行仿真，其歸一化后的增益擴張與相位偏移曲線分別如圖5、6所示。

圖5 歸一化后預失真電路的增益曲線

圖6 歸一化后預失真電路的相位偏移曲線

由圖5與圖6可以看出，本文設計的輸入級電路能夠產生增益擴張與負的相位偏移，可以起到補償功放后級電路、提高功放線性度的作用。

4 設計與測量

采用該預失真電路作為功率放大器的輸入級設計了一款功率放大器，其電路原理圖如圖7所示，其中，第二級電路與第三級電路的集電極與電源VCC2之間分別接入LC并聯網絡，使該網絡諧振于基波頻率，能夠有效地減輕直流信號與交流信號間的相互干擾，同時使基波信號最大限度地輸出給下一級電路。基于2 μm InGaP/GaAs異質結晶體管工藝進行流片，其芯片照片如圖8所示。

圖7 功率放大器電路原理圖

圖8 功率放大器芯片照片

采用3.5V電源偏置，將該功率放大器芯片貼在測試基板(PCB板)上進行測量，測得的小信號S參數與大信號功率參數分別如圖9、10所示。

圖9 功率放大器的S參數

圖10 該功率放大器的大信號功率測量參數

從圖9可以看出，在1.5 ～1.8 GHz的工作頻段內，小信號增益S21達到了27 dB，輸入端反射系數S11在-10 dB以下，輸出端反射系數S22在-8 dB以下，反向隔離度S12控制在-40 dB以下。圖10是電路工作頻率為1.7 GHz時測得的大信號功率參數。可以看出，該功放的功率增益為27 dB，工作在1 dB壓縮點時對應的輸出功率與功率附加效率分別為28 dBm與32%。綜上，可知該功放具有較好的輸出功率特性， P1dB點附近的功率增益由于輸入級預失真電路的線性化作用得到了擴展，功放的線性度得到了提高。

5 結論

本文提出了一種具有串、并聯負反饋網絡的有源預失真電路。通過調整該串并聯負反饋網絡的元件值，改變兩種負反饋網絡的反饋系數，可以控制預失真放大電路的增益擴張與負相位偏差的強度。采用具有該串并聯負反饋網絡的放大電路作為輸入級設計了一款功率放大器，較好地補償了功率放大器的后級電路，提高了整級功放的線性度。

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