基于E-PHEMT技術的寬帶、高線性和微型封裝放大器研究

嚴 評 蔡道民 李明磊

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

基于E-PHEMT技術的寬帶、高線性和微型封裝放大器研究

嚴 評 蔡道民 李明磊

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

基于GaAsE-PHEMT工藝，采用負反饋和寬帶有耗匹配技術，實現寬帶、高線性MMIC放大器芯片；基于多層陶瓷工藝，制作密封性好、可靠性高的封裝外殼。結合二者，基于多物理場聯合設計、仿真和優化，實現寬帶、高線性和小型化功率放大器。該放大器頻率覆蓋DC～3GHz，增益大于14dB，P-1功率大于23.5dBm；P-1下PAE大于40%，OIP3大于39dbm，噪聲小于3.4dB，輸入駐波和輸出駐波小于1.5（2GHz）。采用恒流鏡像偏置，+5V單電源供電，工作電流小于110mA，封裝尺寸僅為4.5mm×2.5mm×1.8mm。可廣泛應用于通信等領域。

E-PHEMT；MMIC；高線性；寬帶；微型封裝

0. 引言

近年來，通信領域飛速發展，牽引了相關器件和電路的快速發展，也增大了諸多需求，尤其是對寬帶、高線性和高效率以及小尺寸封裝放大器的需求，使其成為當前研究的熱點。

目前，制作高線性和高效率放大器的制作技術主要有GaAsHBT和GaAs D-PHEMT技術，它們各具優勢和不足，而GaAs E-PHEMT技術，繼承了D-PHEMT技術的諸多優勢，同時具有單電源、高跨導和高線性等特性，可以媲美HBT技術，是實現高線性、高效率和單電源應用的最有力競爭者。

本文介紹了基于GaAs EPHEMT和陶瓷封裝技術，設計和制作寬帶、高線性和效率以及微型封裝放大器的研制過程，第一部分簡要介紹E-PHEMT技術，第二部分主要描述MMIC設計和制作；第三部分則是微型封裝設計和制作，第四部分是測試和分析，最后是總結。

1. E-PHEMT器件技術

對于電路設計者來說，E-PHEMT能夠提供顯著的優勢，主要表現在以下兩個方面：

其一，低電壓和單電源工作，其開啟電壓大約0.3V～0.4V，在其工作電壓下降到1V時，仍能維持較好的性能，而其競爭對手HBT，由于其較高的Knee電壓（大于0.7V），導致其性能隨著工作電壓下降而快速退化，因此，EPHEMT器件的該特性對于移動通信來說，其帶來的好處是不言而喻的。

其二，E-PHEMT器件相對D-PHEMT，勢壘層厚度較薄，跨導更大，通常每毫米柵寬大約500～600ms/mm，后者只有300～400ms/mm，進而帶來高增益、高線性和高效率等特性，使其在通信領域里占據越來越重要的地位，AVAGO公司則是該領域的佼佼者。

圖1是0.25um柵長E-PHEMT與D-PHEMT器件的跨導曲線對比圖，圖2是4×100um柵寬的IV曲線。從圖中可以得到前者的跨導最大值為550ms/mm，后者不到400ms/mm，大約提高30%；E-PHEMT的閾值電壓大約為0.25V～0.3V，避免了負電壓。4×100um柵寬器件其最大特征頻率fT大約50GHz。

2. MMIC電路設計

為了實現DC～3GHz、OIP3大于39dBm，P-1大于23dBm和PAE效率大于40%，以及輸入輸出駐波比小于1.5的高性能MMIC放大器，選擇合適的電路拓撲結構，并進行初值估算，圖3是實現該目標的電路原理圖。

如圖3所示，該電路主要采用并聯RCL和串聯RL反饋的電路拓撲結構，實現寬帶、高線性等技術指標，所涉及的元件值，需要優化，以滿足技術指標。主放大管Q2的尺寸需要根據輸出功率、效率和輸出駐波等進行折中優化，這里選用兩個8×65um柵寬的管子。

為了實現DC～3GHz的寬帶匹配，除了上述的負反饋結構外，Q2管的輸出阻抗與RLC反饋共同決定整個MMIC的輸出阻抗，通過優化，使其在寬頻率范圍內實現良好匹配；而輸入匹配，則采用了簡單的低通匹配+RC并聯有耗結構，使其滿足寬頻帶良好駐波特性。

放大器的偏置電路是關鍵部位，對其直流和射頻特性具有較大影響。采用恒流鏡偏置電路提供恒定的工作電流。Q1管作為偏置管，與主放管Q2形成電流鏡結構，因Q1與Q2開啟電壓相同，即VGS1=VGS2=VGS，Q2管漏電流IDS2與Q1管漏電流IR成比例鏡像關系，即

其中，S1、S2分別為Q1、Q2晶體管寬長比。因此，通過電阻R1調節較小的參考電流IR1，從而得到所需的射頻管靜態電流IDS2。

此外，為了實現較好的溫度補償作用，選用了具有溫度特性互補的臺面電阻，實現全溫域性能恒定。

圖4是制作完后的MMIC芯片圖，芯片尺寸為0.95mm×0.95mm。

3. 陶瓷外殼設計

陶瓷外殼與塑料外殼相比在可靠性方面具有諸多優勢，如耐濕、耐高低溫、低熱膨脹系數、介電常數溫度系數穩定等。因此，為了保證放大器在惡劣環境適應性要求，基于多層陶瓷工藝，設計芯片封裝外殼。外形仿照SOT-89塑料封裝，采用表面貼裝結構。除考慮其可靠性、工藝可實現性外，需重點考慮其端口阻抗匹配性能。封裝內部芯片到外殼引出端之間，通過鍵合金絲、陶瓷管殼內焊盤、金屬化通孔、管殼外焊盤進行互聯。鍵合絲與通孔的寄生電感參量，會對電路的阻抗帶來一定的失配，其端接50Ω負載等效阻抗Zin、電壓駐波可分別表示為：

其中L=L1+L2，L1、L2分別表示鍵合絲和通孔寄生電感。從（4）式可看出，隨著工作頻率ω或寄生電感L的提高，失配的程度越高。為了減小失配，采用容性補償的方法，即在L1和L2之間插入分布電容C。其等效阻抗、電壓駐波分別表示為：

Zin=jω（L1+L2）+1/jωC+50 （5）

從（6）式得出，當，VSWR=1。因此，通過引入容性支節，可抵消鍵合絲和通孔的寄生電感，改善端口匹配。為了精確仿真管殼端口微波參數，建立三維電磁仿真模型，如圖5所示。端口過渡三維電磁仿真結果如圖6所示。從仿真結果看，在3GHz以下，插損小于0.1dB，駐波小于1.1，滿足該器件設計需求。

提取微波外殼仿真結果，與芯片進行聯合仿真，進一步優化調整芯片匹配網絡，聯合仿真結果如圖7所示。

4. 測試和分析

基于GaAsE-PHEMT工藝進行制版、流片，同時按設計要求加工陶瓷外殼。芯片通過探針測試系統在片測試合格后，采用金錫焊料燒結在陶瓷外殼內部，通過鍵合金絲互聯，最后，在氮氣氣氛保護下，采用金錫熔封工藝進行封蓋，達到氣密封裝，實物圖如圖8所示。制作專用的測試夾具，并外接寬帶偏置器對器件進行測試，測試結果如圖7所示。測試結果與仿真結果基本吻合。

噪聲系數實測值比仿真結果略高，一是因為測試時通過專用的測試夾具進行測試，夾具會引入一部分損耗；二是因為工藝原因，MMIC片上參與輸入匹配的有耗網絡元件值與仿真理想值存在偏差造成的。這可在后期芯片改版微調得到改善。

測試器件OIP3指標時，兩路信號自身交調產物，被器件放大后，會影響器件真實的OIP3測試結果，因此，采用改進測試方法，即在兩路信號源后插入隔離器，從而增加兩路信號端口間的隔離度，使信號源自身的交調產物降至最低，從而提高被測器件OIP3的測試精度。

結論

采用E-PHEMT器件技術，并通過RLC并聯反饋，RL串聯反饋，以及有耗匹配技術，實現了寬帶、高線性、單電源加電的MMIC放大器，并采用多層陶瓷封裝技術，實現頻段覆蓋DC～3GHz，OIP3指標高達39dBm的高性能、高可靠、微型化表貼封裝放大器。該器件覆蓋典型通信頻段，具有廣闊的應用前景。

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