低成本寬帶高線性度驅動放大器芯片

成都嘉納海威科技有限責任公司 呂繼平 鐘 丹 王測天 鄔海峰

青海民族大學物理與電子信息工程學院 林 倩

近幾年5G通信的廣泛普及導致市場對于無線通信設備及芯片的需求猛增。由于功率放大器是無線通信射頻前端中功率輸出部分，主要完成對射頻信號的不失真放大，同時兼顧系統對帶寬、功率、效率和線性度的要求；而射頻驅動放大器作為5G無線通信射頻前端中的重要器件，一般放在功率放大器的輸入端，為后級功放提供中功率輸入信號，因此驅動放大器需滿足在保持線性度的條件下具備較高的增益和較大的功率輸出，因此驅動放大器的工作帶寬、輸出功率、增益、線性度等關鍵指標對5G無線通信信號質量有著重要影響。尤其在L波段，由于傳輸損耗更小，穿透力更強，信號覆蓋面積更廣，適用于大范圍網絡覆蓋，如將其用在組網基站可降低基站成本，因此5G系統迫切需求L波段驅動放大器芯片，并且要求其具備低成本、寬帶、高線性度指標。

本文基于2μm GaAs HBT工藝設計實現了一款0.4～1.4GHz寬帶高線性度驅動放大器芯片。該驅動放大器采用一級放大電路結構，結合自適應偏線性化偏置與負反饋技術，實現了良好的輸入、輸出駐波、噪聲系數和線性度指標。芯片面積為800×650um2。在3.3V供電電壓下，該放大器芯片實測靜態電流為52mA，在0.4～1.4GHz工作頻帶內，典型增益為17dB，輸出P1dB大于19.2dBm，OIP3大于39.5dBm。該芯片在-40℃、+25℃、+115℃三溫條件下核心指標增益、輸出P1dB、OIP3值在±1dB以內，呈現了良好的溫度波動特性，同時在3.15V、3.3V、3.45V三種供電電壓下，核心指標±0.5dB以內，適合5G通信系統的應用。

1 芯片結構

本文提出的驅動放大器電路原理圖如圖1所示，為一級放大電路結構，由4個晶體管晶M1~M4并聯組成一個放大管胞，以提高放大器輸出功率和線性度。芯片輸入端并聯到地大電感L1，起到防靜電保護以及低頻增益匹配的作用。C1和R1為放大器輸入端阻抗匹配電路，用于以改善放大器駐波、增益噪聲系數以及增益平坦度和線性度等關鍵指標。在晶體管M1～M4的發射極分別串聯整流電阻R2～R5用于提高基極電流的控制能力并改善放大器的熱穩定性，R2～R5取值由所選工藝以及設計經驗共同決定。發射極整流的方式同基極整流的方式相比，線性度指標會有顯著提升。電容C3和電阻R9為放大器提供負反饋回路，可調節輸入輸出匹配，擴展帶以及改善放大器的穩定性。

圖1 驅動放大器電路原理圖

該結構采用自適應線性化偏置電路提升了放大器的線性度，同時對放大器起到一定的溫度補償和穩定晶體管的偏置電壓的作用，偏置電路的電源為+3.3V。如圖1所示，自適應線性化偏置電路結構中，晶體管M7、M8以等效二極管方式進行連接，M8發射極串聯電阻R8到地，M7與M5和M6共同組成電流鏡結構，電容C4的作用可將泄露到偏置電路的射頻信號旁路到地。放大管胞集電極電路偏置直接由外部輸入的3.3V提供。電阻R6與C2為偏置電路的匹配電路，用來改善偏置電路引入的插入損耗。

2 實驗結果

采用2μm的GaAs HBT工藝進行仿真設計流片后，芯片尺寸為800×650um2。在芯片的Vbb和Vcc端加3.3V電壓，靜態電流為52mA。常溫下測得的芯片的性能指標如圖2所示，在0.4～1.4GHz范圍內增益16.7～17.2dB，增益平坦度≤ 0.5dB，輸入回波小于-15dB、輸出回波小于-11.5dB，典型噪聲系數為7dB，輸出P-1dB大于19.2dBm，OIP3大于39.5dBm。

圖2 S參數、噪聲和線性度測試結果

從圖3中可以看出，在環境溫度-40℃～+115℃范圍內，放大器在全工作頻段內的輸出P1dB三溫曲線一致性很好，變化不大于1.7dBm，OIP3變化最大為2.2dB。

圖3 P1dB和OIP3線性度三溫測試結果

從圖4中可以看到三種工作電壓下放大器的輸出P1dB化曲線小于0.9dB，OIP3變化小于1.5dB。

圖4 不同工作電壓條件下P1dB和OIP3線性度測試結果

結論：論文采用2μm GaAs HBT工藝設計了一款0.4～1.4GHz寬帶高線性度驅動放大器，芯片尺寸為800×650um2。在3.3V工作電壓下，芯片的常溫靜態電流為52mA，在0.4GHz～1.4GHz頻帶內，測得芯片典型增益為17dB且增益平坦度不大于0.5dB。芯片的P1dB大于19.2dBm，OIP3大于39.5dBm。從常溫測試測試結果可以看出，該芯片具有工作頻段寬、高增益、高線性度的特點。本文同時對比了在不同輸入電壓以及極限環境溫度條件下放大器的主要性能指標測試結果，從測試結果對比可看出，該驅動放大器具有一定的溫度穩定性和電壓波動穩定性，能夠在溫度范圍大、電壓有一定波動的惡劣環境下使用。