2.4 GHz SiGe HBT E類高功率放大器*

尤云霞，陳 嵐，王海永，吳玉平，呂志強(qiáng)

(中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029)

2.4 GHz SiGe HBT E類高功率放大器*

尤云霞，陳 嵐*，王海永，吳玉平，呂志強(qiáng)

(中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029)

針對(duì)無線通信飛速發(fā)展對(duì)高功率和高效率功率放大器的需求，提出了一種Cascode結(jié)構(gòu)的2.4 GHz E類高功率放大器。它采用單端接地和單級(jí)放大的電路形式。基于國內(nèi)新研制的0.18 μm SiGe BiCMOS工藝，實(shí)現(xiàn)了片內(nèi)全集成，包括輸入與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高集成度等特點(diǎn)。同時(shí)，考慮了器件的擊穿電壓，高電流下的電遷移和高功率的穩(wěn)定性等問題，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，在10 V電源電壓時(shí)，放大器的輸出功率高達(dá)30 dBm，效率PAE為39.69%，最大功率增益達(dá)14 dB。

功率放大器;E類;Cascode結(jié)構(gòu);功率器件

隨著第3代移動(dòng)通信、藍(lán)牙、Wi-Fi與Zigbee等無線通訊的飛速發(fā)展，射頻收發(fā)器要求的性能也越來越高。射頻功率放大器是其中的重要模塊，它的效率、輸出功率能力的大小、線性度和功率增益等特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸與功耗等有重要影響。

傳統(tǒng)功率放大器是射頻功率放大器的一類，具有功率增益高，線性度好的特點(diǎn)［1］;但是，其相對(duì)于開關(guān)模式功率放大器而言，它的效率低，功耗大。對(duì)于微型化、低功耗移動(dòng)設(shè)備而言，開關(guān)模式功率放大器更受到人們的青睞。在實(shí)際電路中，E類功率放大器具有相對(duì)D類更高的效率和相對(duì)F類電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)［2］。因此，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適于高頻、高效率和大輸出功率的E類功率放大器仍然是研究的熱點(diǎn)。

射頻功率放大器的性能同時(shí)受到工藝和電路結(jié)構(gòu)的影響。通常大功率的射頻功率放大器多采用GaAs工藝［3-5］，但是成本較高。與GaAs工藝比較，SiGe HBT具有成本低，散熱特性好，同時(shí)可與CMOS器件兼容并集成于同一襯底上，形成BiCMOS工藝的優(yōu)勢(shì)。于是，出現(xiàn)了集成的SiGe功率放大器。但隨著工藝尺寸的不斷減小，采用SiGe BiCMOS工藝的功率放大器在實(shí)現(xiàn)高功率輸出時(shí)也面臨極大的挑戰(zhàn)。

本文就是基于國內(nèi)新研制的 0.18 μm SiGe BiCMOS工藝，設(shè)計(jì)了一種2.4 GHz E類全集成高功率放大器。首先介紹了工藝概況，然后給出了總體電路設(shè)計(jì)和各模塊化分析，包括Cascode結(jié)構(gòu)、功率器件、輸入與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)等，再次給出了功率放大器的仿真結(jié)果，最后對(duì)文章進(jìn)行了總結(jié)。

1 工藝概況

本文采用的國內(nèi)新研制的0.18 μm SiGe BiCMOS工藝提供4種SiGe HBT，分別是高速管、標(biāo)準(zhǔn)管、高壓管和超高壓管。其中，高壓管和超高壓管可用于設(shè)計(jì)功率放大器，滿足輸出功率對(duì)器件耐受的擊穿電壓需求。

此外，該工藝還提供電阻，電容和電感，有利于實(shí)現(xiàn)在片匹配。

該工藝提供6層金屬，可采用頂層金屬或者多層金屬并聯(lián)的方法來滿足功率放大器大電流情況下對(duì)金屬電流密度的需求。

2 電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的單端單級(jí)E類功率放大器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

電路包括Cascode結(jié)構(gòu)功率放大單元由Q1與Q2組成、輸入T型匹配網(wǎng)絡(luò)C2-L2-C3與輸出L型匹配網(wǎng)絡(luò)C4-L3，濾波網(wǎng)絡(luò)L1-C1以及兩個(gè)偏置扼流圈LC1與LC2。VB1與VB2是給定的兩個(gè)偏置電壓，Vcc為電源電壓。

2.1 E類Cascode主放大器結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)E類功率放大器［6］采用共射結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)E類功率放大器

其中，L1與C1組成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，濾除所有的諧波，只選擇目標(biāo)頻率的正弦波信號(hào)通過。C0代表開關(guān)晶體管Q1的寄生電容和需要附加并聯(lián)的電容值之和。RL是功率放大器的負(fù)載，Po，max代表最大輸出功率。各值參考式(1)～式(4):

QL是L1與C1形成的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)。

該種結(jié)構(gòu)的功率放大器的輸出功率受功率器件的擊穿電壓限制，原則上功率器件的電壓擺幅不能超過其BVCEO。于是，為了輸出更大的功率，本文采用Cascode結(jié)構(gòu)，如圖3所示［2］，它采用共射極和共基極的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。射頻信號(hào)通過共射晶體管Q1的基極輸入，共基極晶體管Q2的集電極輸出。

圖3 Cascode結(jié)構(gòu)

選擇圖3結(jié)構(gòu)的原因是:共基極晶體管Q2的集電極-基極最高承受電壓VCBB(max)為式(5):

VB是共基極晶體管Q2的基極偏置電壓，Vout(max)是最大輸出電壓值。共射極晶體管Q1的集電極-基極最高可承受電壓VCBE(max)為式(6):

其中，VT是晶體管的導(dǎo)通電壓，Vin(min)是共射極晶體管Q1的最小輸入電壓。一般VCBE(max)小于晶體管的擊穿電壓VCBO，因此，Cascode結(jié)構(gòu)中共基晶體管Q2的擊穿電壓是限制放大器輸出電壓擺幅的重要因素。

Cascode結(jié)構(gòu)作為開關(guān)模式射頻功率放大器的放大單元工作時(shí)，理想情況下，當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，晶體管Q2的集電極電壓為0，當(dāng)開關(guān)管Q1截止時(shí)，晶體管Q2的集電極電流為0。實(shí)際上，開關(guān)管Q1導(dǎo)通與截止時(shí)，晶體管Q2的集電極電壓與電流的相位不完全正交，Cascode結(jié)構(gòu)的輸出導(dǎo)通電阻不為0，故放大器在工作時(shí)存在一定的損耗，降低了一部分效率。

本文的功率放大器，由于采用了Cascode結(jié)構(gòu)，器件的電壓耐受能力得到了提高，在同等輸出功率指標(biāo)的要求下，提高了輸出級(jí)電壓擺幅，降低了對(duì)輸出級(jí)功率晶體管個(gè)數(shù)的要求，同時(shí)避免了由較多個(gè)晶體管組成功率器件的寄生參數(shù)對(duì)電路性能的影響。

2.2 功率器件的確定

本文根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)輸出功率和電路結(jié)構(gòu)的耐壓能力，選取電源電壓為10 V，然后初步確定了負(fù)載阻抗值和流過Cascode結(jié)構(gòu)中晶體管平均電流的大小。

選取功率器件的尺寸時(shí)，需注意每個(gè)晶體管分流的大小和最大承受電流能力。金屬連線和通孔在高電流下，可能會(huì)產(chǎn)生電遷移現(xiàn)象。本文的功率器件在版圖設(shè)計(jì)中采用樹形結(jié)構(gòu)，使電流通過金屬線均勻流入每個(gè)晶體管單元。另外，在晶體管單元的集電極與發(fā)射極的每個(gè)叉指上分別并聯(lián)多層金屬，以分散每層金屬上的電流，減小金屬上的電流密度，來避免高電流下的電遷移。

功率器件的尺寸越大，輸出功率則越高。同時(shí)，器件的輸出電阻Ron越小，工作在開關(guān)模式的功率放大器的熱損耗也越小。但是，器件尺寸的增大，帶來的寄生效應(yīng)(如寄生電容)則越大，導(dǎo)致功率增益會(huì)隨寄生效應(yīng)的增大而變小。因此，對(duì)于某一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，功率器件的尺寸要在滿足輸出功率指標(biāo)和增益之間進(jìn)行折中和優(yōu)化。

最后，本文選取的功率器件由64個(gè)超高壓晶體管單元組成。功率器件的總發(fā)射極面積為506.88 μm2。

穩(wěn)定性是功率放大器的重要考察因素。一般的二端口網(wǎng)絡(luò)有潛在不穩(wěn)定準(zhǔn)則和絕對(duì)穩(wěn)定準(zhǔn)則［7］。通常，功率器件需要工作在絕對(duì)穩(wěn)定條件下。將功率器件看作二端口網(wǎng)絡(luò)，絕對(duì)穩(wěn)定條件可以用穩(wěn)定因子K與Δ或B1描述如式(7)～式(9):

其中，S11與S22分別代表輸入與輸出反射系數(shù)，S21與S12代表正向與反向電壓增益。滿足K＞1，|Δ|＜1或K＞1，B1＞0時(shí)，功率器件處于絕對(duì)穩(wěn)定。

本文中選取的功率器件本身不滿足無條件穩(wěn)定，其中K＜1，B1＞0。在功率器件基極串聯(lián)小的電阻Rt，如圖4所示，可以實(shí)現(xiàn)放大器在工作頻段內(nèi)的絕對(duì)穩(wěn)定。但是，穩(wěn)定因子K越高，功率增益越小。因此，需要選取大小合適的穩(wěn)定電阻Rt，使得K和功率增益參數(shù)在目標(biāo)工作頻段內(nèi)均滿足要求。

圖4 加入穩(wěn)定電阻Rt后的功率器件

如圖5所示是加入穩(wěn)定電阻Rt后，功率器件的最大功率增益Gmax和穩(wěn)定因子K隨頻率變化的曲線。穩(wěn)定電阻Rt阻值為1.48 Ω，由64個(gè)并聯(lián)電阻組成。由圖可知，功率器件在頻率為2.16 GHz～2.64 GHz時(shí)，Gmax從19.07 dB下降為16.35 dB，K值變化范圍為1.046～1.276。在工作頻率點(diǎn)2.4 GHz時(shí)，Gmax為17.49 dB，K值為1.161，器件在該頻段范圍內(nèi)K＞1，處于絕對(duì)穩(wěn)定，且功率增益值較高。

圖5 加入穩(wěn)定電阻Rt后的功率器件Gmax與K

2.3 匹配網(wǎng)絡(luò)

輸入匹配采用共軛匹配法，結(jié)構(gòu)為T型網(wǎng)絡(luò)，由C2-L2-C3組成，具體如圖1所示，T型網(wǎng)絡(luò)可以方便的調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因子Q和帶寬。適當(dāng)調(diào)節(jié)匹配元件參數(shù)，可以增大功率放大器的工作頻率帶寬。

輸出匹配采用傳統(tǒng)的負(fù)載牽引法，匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)型如圖1所示，由C4-L3組成。采用L型而非T型或π型網(wǎng)絡(luò)，目的是為了減少功率放大器在輸出匹配網(wǎng)絡(luò)上因?yàn)樵募纳娮瓒鸬膿p耗。

3 仿真結(jié)果

本文上述的功率放大器采用EDA工具進(jìn)行了仿真。在電源電壓為10V的情況下，輸出功率Pout與功率附加效率PAE隨輸入功率Pin變化的曲線如圖6所示，放大器的最大輸出功率高達(dá)30 dBm，效率為39.78%。功率增益Gp的曲線如圖7所示，最大功率增益高達(dá)14 dB。

表1列出了本文與近期一些基于SiGe BiCMOS工藝的E類功率放大器結(jié)果對(duì)比。文獻(xiàn)［8］與［9］為兩級(jí)Cascode功率放大器，文獻(xiàn)［10］為單級(jí)差分Cascode SiGe功率放大器，本文的設(shè)計(jì)為單端接地，單級(jí)Cascode結(jié)構(gòu)功率放大器，具有相對(duì)電路簡(jiǎn)單和輸出功率較大的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)［11-13］為共射SiGe功率放大器，與之相比，本文的設(shè)計(jì)在輸出功率、效率和增益等性能方面具有突出優(yōu)勢(shì)。因此，本文設(shè)計(jì)的功率放大器在整體電路性能指標(biāo)上達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖6 輸出功率Pout與功率附加效率PAE隨輸入功率變化曲線

圖7 功率增益Gp隨輸入功率Pin變化曲線

表1 功率放大器性能比較

4 結(jié)論與分析

本文提出了一種基于Cascode結(jié)構(gòu)，工作頻率2.4 GHz的E類單端單級(jí)全集成的高功率放大器。該電路采用國內(nèi)新研制的0.18 μm SiGe BiCMOS工藝，片內(nèi)集成了輸入與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。本文通過考慮器件的擊穿電壓，高電流下的電遷移和高功率的穩(wěn)定性等問題，選擇了電路結(jié)構(gòu)和功率器件，給出了設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程。其結(jié)果顯示，在10 V電源電壓情況下，該功率放大器輸出功率高達(dá)30 dBm，效率PAE為39.69%，最大功率增益高達(dá)14 dB，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

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尤云霞(1985- )，女，漢族，內(nèi)蒙古人，研究實(shí)習(xí)員，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)樯漕l功率放大器，yunxia06@163.com;

陳 嵐(1968- )，女，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，chenlan@ime.ac.cn。

2.4 GHz SiGe HBT Class E High Power Amplifier*

YOU Yunxia，CHEN Lan*，WANG Haiyong，WU Yuping，Lü Zhiqiang

(Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China)

For the needs of high power and high efficiency power amplifier in the rapid development of wireless communication，a 2.4GHz class E high power amplifier was designed，which was based on Cascode configuration.It employed single-ended and one stage amplification circuit format.All the devices including input and output matching networks were integrated on chip which was based on a 0.18 μm SiGe BiCMOS technology newly researched in a domestic foundry.It had advantages of simple structures and high integration.At the same time，it also considered devices’breakdown voltage，electro migration with high current and stability of high power and so on problems to design optimization.Results showed that the power amplifier’s output power could reach up to 30 dBm，PAE to 39. 69%and maximum power gain was 14 dB of power supply 10 V.

power amplifier;class E;cascode configuration;power device

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.014

TN432;TN722.7.5

A

1005－9490(2014)02－0235－05

項(xiàng)目來源:國家科技重大專項(xiàng)課題項(xiàng)目(2009ZX02303-04)

2013-05-29修改日期:2013-06-18

EEACC:1220;2570