2.5～14.5 GHz分布式功率放大器設(shè)計

張 瑛， 馬凱學， 張 翼， 張長春， 周洪敏

(1. 南京郵電大學 射頻集成與微組裝技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，江蘇 南京 210046； 2. 南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210046; 3. 電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 611731)

2.5～14.5 GHz分布式功率放大器設(shè)計

張 瑛1,2,3， 馬凱學3， 張 翼1,2， 張長春1,2， 周洪敏2

(1. 南京郵電大學 射頻集成與微組裝技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，江蘇 南京 210046； 2. 南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210046; 3. 電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 611731)

對分布式放大器的工作原理和人工傳輸線的阻抗特性進行了分析，在此基礎(chǔ)上采用0.18 μm CMOS工藝設(shè)計并實現(xiàn)了一種具有三級增益單元的分布式功率放大器．放大器中的增益單元采用了具有峰化電感的共源共柵放大器結(jié)構(gòu)，并通過增大人工傳輸線的終端負載和優(yōu)化片上電感的取值使放大器輸入和輸出端口具有良好的阻抗匹配，同時有效地提升了分布式功率放大器的增益和輸出功率．芯片測試結(jié)果表明，該放大器 3 dB 帶寬達到 12 GHz (2.5～ 14.5 GHz)，3～ 14 GHz 頻率范圍內(nèi)增益為 9.8 dB，帶內(nèi)增益平坦度為 ±1 dB，輸出功率為 4.3～ 10.3 dBm，功率附加效率為 1.7%～ 6.9%．

分布式放大器;人工傳輸線;阻抗匹配;功率附加效率;峰化電感

隨著無線通信與光通信技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越高的數(shù)據(jù)傳輸率對通信系統(tǒng)的帶寬提出了更高要求．分布式放大器(Distributed Amplifier， DA)是一種常用的寬帶放大器電路，其在高分辨率雷達、高速數(shù)據(jù)通信以及儀表和成像系統(tǒng)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用．

集成電路制造工藝的不斷進步使得人們能夠研制出更多性能優(yōu)異的分布式放大器電路．譬如文獻[1]將分布式放大器與功率合成器相結(jié)合，基于特征尺寸為 0.25 μm 的氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN High Electron Mobility Transistor，GaN HEMT)工藝設(shè)計了一種非均勻結(jié)構(gòu)的寬帶功率放大器，在頻帶 6～ 18 GHz 內(nèi)平均輸出功率達到 20.8 W; 而文獻[2]中采用0.25 μm GaN高電子遷移率晶體管工藝設(shè)計出了 2～ 10 GHz 的分布式功率放大器，通過采用逐級縮小的漏極人工傳輸線結(jié)構(gòu)，使得輸出功率達到 10 W 以上; 文獻[3]基于 90 nm 鍺硅雙極型互補金屬氧化物半導(dǎo)體(SiGe Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor，SiGe BiCMOS)工藝設(shè)計出了帶寬達到 91 GHz (14～ 105 GHz) 的分布式功率放大器，該電路采用了一種供電縮放技術(shù)，在保持良好阻抗匹配的同時提高了放大器的效率，最大輸出功率達到 17 dBm; 文獻[4]采用 0.15 μm GaN高電子遷移率晶體管工藝設(shè)計了一種由三段子分布式放大器串聯(lián)構(gòu)成的分布式放大器，通過在每段子分布式放大器施加不同的電源電壓以提高電路的輸出功率和效率．上述先進的加工工藝雖然使得電路的帶寬和功率等性能更加優(yōu)異，但加工費用很高，而互補金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工藝在價格方面則具有極大優(yōu)勢，近來已成為研究的熱點[5-10]．

筆者對分布式放大器的工作原理和人工傳輸線的阻抗特性進行了討論，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種寬帶分布式功率放大器．設(shè)計中通過增大人工傳輸線的終端負載在放大器輸入和輸出端口獲得了良好的阻抗匹配，并通過逐級設(shè)計輸出人工傳輸線的匹配網(wǎng)絡(luò)來提升放大器的增益和輸出功率．

1 分布式放大器工作原理

分布式放大器的基本原理是通過片上電感元件將若干增益單元連接起來，分別構(gòu)成輸入和輸出人工傳輸線，從而克服增益單元中晶體管的寄生電容造成的增益滾降．根據(jù)傳輸線理論，分布式放大器的增益Av和特征阻抗Z0可分別表示為

其中，Cin和Cout分別為增益單元的等效輸入電容和輸出電容，gm為增益單元的跨導(dǎo)增益，LG和LD分別為構(gòu)成輸入和輸出人工傳輸線的片上電感，n為分布式放大器中的增益單元的個數(shù)．

分布式放大器中人工傳輸線的截止頻率fc決定了放大器的工作帶寬，其表達式為

fc=1/(2π(LGCin)1/2)=1/(2π(LDCout)1/2) ．

(3)

由式(2)可知，在特征阻抗不變的情況下，片上電感LG(LD)與寄生電容Cin(Cout)成正比；而由式(3)可知，截止頻率fc將隨著LG(LD)與Cin(Cout)的增大而減小，因此需要縮小晶體管以提高放大器的工作頻帶．但在功耗(電流)不變的情況下，增益單元的跨導(dǎo)增益gm會隨著晶體管尺寸的縮小而減小，根據(jù)式(1)，放大器的增益也會跟著減小．

2 三級分布式功率放大器設(shè)計

隨著電路工作頻率和輸出功率的不斷提高，更加嚴重的襯底泄漏和趨膚效應(yīng)等現(xiàn)象使得單純應(yīng)用傳輸線理論進行分布式放大器的設(shè)計出現(xiàn)了不足[9-10]．分布式放大器中人工傳輸線由T形匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，因此基于阻抗匹配的思想進行電路設(shè)計，所設(shè)計的放大器電路如圖1所示．為進一步提高放大器的增益和反向隔離特性，增益單元采用了具有峰化電感LS的共源共柵放大器結(jié)構(gòu)．增益單元中的晶體管尺寸應(yīng)較大，以使得分布式功率放大器能夠輸出較大的功率，綜合考慮增益、帶寬以及功率等性能，將NMOS晶體管的尺寸設(shè)置為 120 μm/ 180 nm (柵寬/柵長)．

圖1 共源共柵增益單元的交流小信號等效電路

圖2所示為帶峰化電感LS的共源共柵結(jié)構(gòu)放大器的交流小信號等效電路，其中Cgs1、Cds1、ro1和gm1分別為共源極放大管的柵極寄生電容、漏極寄生電容、漏極寄生電阻和跨導(dǎo)，Cgs2、Cds2、ro2和gm2分別為共柵極放大管的柵極寄生電容、漏極寄生電容、漏極寄生電阻和跨導(dǎo)．

圖2 帶峰化電感LS的共源共柵增益單元的交流小信號等效電路

根據(jù)圖2，若忽略寄生電阻ro1和ro2，可以得到共源共柵增益單元的輸出阻抗為

(4)

其中，ω表示角頻率．由式(4)可知，峰化電感LS引入了一個諧振頻率點，從而提高了輸出阻抗，增大了放大器在高頻處的增益，其對放大器S參數(shù)的影響如圖3所示．由圖3可知，峰化電感LS的取值太小則不能有效改善放大器的增益，而太大則會影響放大器的帶寬和阻抗匹配性能，綜合考慮將其設(shè)置為 370 pH．

輸入人工傳輸線的主要功能是實現(xiàn)放大器輸入端的寬帶阻抗匹配，而焊盤的寄生電容、晶體管和片上電感的寄生電阻均使得阻抗匹配變得更加復(fù)雜，為此片上電感LG1的取值較大而LG4的取值則較小，同時將負載電阻ZGL設(shè)置為 58 Ω 以獲得更好的阻抗匹配特性．而輸出人工傳輸線的主要功能是實現(xiàn)功率的最大輸出，同時使得放大器的輸出端具有良好的阻抗匹配特性．圖1中每級增益單元的輸出可視為一個電流源輸出，當其輸出端左側(cè)的阻抗ZDLi比右側(cè)的阻抗ZDRi大時，顯然將有更多的輸出功率流向右側(cè)的輸出端口．因此與文獻[11-12]的電路結(jié)構(gòu)不同，這里保留了負載電阻ZDL并將其設(shè)置為 95 Ω，同時將片上電感LD1和LD4均設(shè)置的較小，這樣能夠在有效提升輸出功率的同時獲得較好的輸出端阻抗匹配．上述的片上電感均根據(jù)工藝文檔中所提供的工藝參數(shù)，采用軟件HFSS進行電磁仿真與建模，并代入到電路原理圖中進行后仿驗證．

圖3 共源共柵增益單元中峰化電感對S參數(shù)的影響

3 仿真與測試結(jié)果

基于標準0.18 μm CMOS工藝進行了分布式功率放大器的設(shè)計與流片加工，芯片照片如圖4所示，面積為 0.94 mm× 0.5 mm．芯片采用在片測試，電源電壓設(shè)置為 2.8 V，偏置電流為 51.4 mA，功耗為 144 mW．

放大器S參數(shù)的后仿真與測試結(jié)果如圖5所示．由圖5可知，放大器的前向增益S21為 9.8 dB，3 dB 帶寬

圖4 芯片照片圖5 S參數(shù)仿真與測試結(jié)果

達到 12 GHz (2.5～ 14.5 GHz)；在 3～ 14 GHz 的范圍內(nèi)，增益平坦度為 ±1 dB，輸入端口回波損耗S11小于 -13 dB，輸出端口回波損耗S22小于 -9 dB，反向隔離度S12小于 -24 dB．測試結(jié)果與后仿結(jié)果的曲線形狀較為接近，但與后仿結(jié)果相比，測試得到的前向增益S21減小了 3～ 5 dB，尤其在高頻段差異較大，這主要是由于工藝偏差以及片上電感等器件的建模和電路寄生參數(shù)的提取不夠準確而造成的．將片上電感的品質(zhì)因數(shù)Q值進行調(diào)整，其對電路前向增益S21的影響如圖6所示，可見在電感建模過程中，寄生電阻效應(yīng)被低估了．當該效應(yīng)增強后，仿真與測試結(jié)果更加接近．

圖6 片上電感的品質(zhì)因數(shù)Q值對S21的影響圖7 輸出功率和功率附加效率的后仿與測試結(jié)果

利用E8257D信號源和E4440A頻譜分儀對所設(shè)計的分布式功率放大器的輸出功率特性進行了測試，結(jié)果如圖7所示．在3～14 GHz頻帶范圍內(nèi)，輸出功率為 4.3～ 10.3 dBm，相應(yīng)的功率附加效率達到 1.7%～ 6.9%．受趨膚效應(yīng)的影響，電路中的寄生電阻會隨著頻率升高而增大，從而影響電路的阻抗匹配特性，因此圖7中放大器的輸出功率隨頻率上升而呈下降的趨勢．

筆者所設(shè)計的分布式功率放大器與其他文獻中分布式放大器的性能比較結(jié)果如表1所示．由表1可知，在帶寬與功率性能等方面，砷化鎵贗配高電子遷移率晶體管(GaAs Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor，GaAs PHEMT)和砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(GaAs Hetero-junction Bipolar Transistor，GaAs HBT)等高端工藝顯示出了較大優(yōu)勢，其缺點是電路的面積大且價格昂貴．與采用同樣的CMOS工藝設(shè)計實現(xiàn)的文獻[6，8]中的電路相比，筆者所設(shè)計的分布式功率放大器的增益和帶寬性能雖有不足，但面積和功耗均較小，且具有較大的輸出功率和效率，因此更加適合寬帶功率放大器的應(yīng)用．而與文獻[10]的電路相比，筆者所設(shè)計的放大器雖然在帶寬和效率方面有所不足，但增益及平坦度都得到了較大的提高和改善．

表1 分布式放大器的性能比較

4 結(jié) 束 語

隨著無線數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高以及多波段通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對放大器的帶寬和功率提出了更高要求．筆者采用 0.18 μm CMOS工藝設(shè)計并實現(xiàn)了一種寬帶分布式功率放大器．測試結(jié)果表明，該放大器在 3～ 14 GHz 的范圍內(nèi)帶內(nèi)增益約為 9.8 dB，帶內(nèi)平坦度為 ±1 dB，輸出功率為 4.3 ～ 10.3 dBm，最大功率附加效率達到6.9%，在增益、帶寬、輸出功率和效率方面都表現(xiàn)出了良好的綜合性能．

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Designofa2.5～14.5GHzdistributedpoweramplifierZHANGYing1,2,3，MAKaixue3，ZHANGYi1,2，

ZHANGChangchun1,2，ZHOUHongmin2

(1. National and Local Joint Engineering Lab. of RF Integration and Micro-assembly Technology, Nanjing Univ. of Posts and Telecommunications, Nanjing 210046, China; 2. School of Electronic Science & Engineering, Nanjing Univ. of Posts and Telecommunications, Nanjing 210046, China; 3. School of Physical Electronics, Univ. of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

The operation principle of distributed amplifiers and the impedance characteristic of artificial transmission lines (ATLs) are analyzed, and a distributed power amplifier consisting of three gain cells is designed and fabricated by 0.18 μm complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. The peaking inductor is used to enhance the gain and the reverse isolation of the amplifier in high frequency. The termination loads of ATLs are increased and the values of on-chip inductors are optimized to provide good impedance matching, while improving the output power and efficiency. Measured results show that the amplifier has a 3 dB bandwidth of 12 GHz (2.5～ 14.5 GHz) and provides an average forward gain of 9.8 dB from 3 to 14 GHz with a gain flatness of ±1 dB. In the desired band, the output power at 1 dB gain compression point (P1 dB) is from 4.3 to 10.3 dBm while the power added efficiency (PAE) is from 1.7% to 6.9%.

distributed amplifier;artificial transmission line;impedance matching;power added efficiency;peaking inductor

2017-01-12

時間：2017-06-29

國家自然科學基金資助項目(61106021); 中國博士后科學基金資助項目(2015M582541); 江蘇省高校自然科學基金資助項目(15KJB510020); 南京郵電大學科研基金資助項目(NY215140，NY215167)

張 瑛(1980-), 男, 副教授, E-mail: zhangying@njupt.edu.cn．

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20170629.1734.032.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2018.01.016

TN43

A

1001-2400(2018)01-0088-05

(編輯： 郭 華)