文献标识码:A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.009
中文引用格式:邸士伟,刘昱,李志强,等. 基于SiGe HBT的38 GHz功率放大器设计[J].电子技术应用,2016,42(2):36-38,45.
英文引用格式:Di Shiwei,Liu Yu,Li Zhiqiang,et al. A 38 GHz power amplifier based on SiGe HBT process[J].Application of Electronic Technique,2016,42(2):36-38,45.
0 引言
近年来,随着移动互联网的蓬勃发展,移动通信数据呈现爆炸式的增长,现有的通信系统很难满足人们未来生活的需求。为了提高数据容量和通信速度,需要增加信道带宽,相比于拥挤的几百兆赫兹到几吉赫兹频段,毫米波频段有大量的有待开发的频谱资源,是无线通信领域最具发展潜力的技术之一。
作为收发机中最为重要的模块,功率放大器(PA)的性能决定着整个通信系统。CMOS功率放大器成本较低,但是输出功率较低和线性度较差,目前很难满足通信系统的要求。化合物开云棋牌官网在线客服(砷化镓等)功率放大器工艺集成度低,成本过高[1-2]。SiGe工艺实现了性能和成本的平衡,而且效率高、增益大、线性度好、功率密度高,非常适合于功率放大器的设计,受到了国内外学术界和产业界的普遍关注。
工作在毫米波频段的功率放大器由于寄生电容影响增大、无源器件损耗增加,导致晶体管可获得增益较低,输出功率较小。针对该问题,本文基于0.13 μm SiGe工艺,设计了一款工作在38 GHz频率的单级功率放大器,采用堆叠(Stacked)异质结(HBT)结构,提高了增益;通过优化级间有源器件尺寸、偏置等参数,实现了较高输出功率和效率的功率放大器。
1 技术原理
如图1所示为传统功率放大器的基本结构[3],在毫米波频段,利用四分之一波长传输线作为晶体管负载阻抗。对于不同的工作频率和工艺,四分之一线长度不同。但是即使在38 GHz,本项目使用的工艺下,四分之一波长仍有930 μm,片上实现需要很大面积,而且传输线引入的插入损耗与其长度成正比,过长的传输线降低了功率放大器的输出功率和效率。
依据传输线理论,不同长度的传输线可以用来实现不同的电抗,长度为d的传输线终端接负载ZL的输入阻抗可以用下式表示[4]:
其中,V+表示入射波电压,Γ0表示终端反射系数,β表示相位阐述,Z0为传输线特征阻抗。当传输线终端短路时,Γ0=-1,式(1)可以化简为:
可以看出,当传输线长度不同时,可以表示不同的周期性变化电抗值,而且当传输线长度小于四分之一波长线时,传输线的作用等效为电感,等效电感值为:
HBT结构形成了许多PN结,所以有许多结电容。在集电极端,主要有有集电极-基极结电容Cμ,集电极-衬底结电容CCS,将集电极对地总电容记为CC,如图1所示。
由于HBT集电极电容的存在,可以通过使传输线等效电感和HBT集电极寄生电容谐振实现高负载阻抗,谐振频率如式(4):
从式(4)可见,通过设计传输线的长度和特征阻抗等参数实现所需要的谐振频率。相比于在四分之一波长传输线,这种负载结构Q值降低,功率放大器带宽增大,而且传输线长度显著减小,因此减小了损耗,降低了芯片面积,节省了成本。
2 电路设计
2.1 原理图设计
本文基于IBM 0.13 μm SiGe工艺,设计了一款采用有源偏置电路的功率放大器,其电路结构如图2所示。采用堆叠(Stacked)2个HBT结构,其有以下优点:(1)增益近似是共射极HBT结构的两倍,单级放大器就可以实现很高的功率增益;(2)由于HBT击穿电压较小,采用这种结构提高电源电压,提高了输出功率;(3)功率放大器的输出电阻放大了(1+gmRout)倍,增强了驱动负载的能力[5];(4)反向隔离度(S21)增大,使得输出信号对输入信号的干扰减小。利用上文提到的传输线和集电极电容谐振的方法,使得传输线TL1长度从930 μm(四分之一波长)减小到405 μm,面积和损耗减小,提高了输出功率和效率。输入端匹配电路将端口50 Ω匹配到晶体管输入阻抗的共轭值以减小信号反射;输出端利用负载线原理优化负载阻抗值,实现最大输出功率。
2.2 有源器件设计
本项目所用工艺中,提供了高速和高压两种类型的HBT器件,主要参数如表1所示。高击穿电压HBT结构对应截止频率低,高截止频率HBT对应增益较高,为了提高放大器增益,选用高速HBT器件。击穿电压BVceo=1.8 V,BVceo是基极开路时发射极-集电极的击穿电压,而当基极处于低阻, BVce超过5 V,因为雪崩击穿产生的空穴经低阻的基极流出[6]。HBT尺寸需要多方面的考虑折中,增加HBT发射极面积可以增加输出功率,但是随着HBT尺寸的增加,输出最优负载阻抗(Zopt)和输入阻抗(Zin)减小,输出最优阻抗匹配到50 Ω和将输入阻抗匹配到50 Ω难度增大,增大HBT发射极面积增加的输出功率被匹配电路消耗,因此发射极面积存在最优值。晶体管的偏置决定了功率放大器的工作状态,偏置较低,PA的效率较高,但是可能产生增益膨胀效应,线性度变差;偏置较高时,增益和线性度提高,相应功耗也较高,静态工作点的选择要在线性度,功耗,效率,增益中进行优化。综合考虑,选择基极电压为0.83 V。输出电压过低时会导致Stacked HBT提前进入饱和区而限制了输出电压摆幅,同时偏置过低会导致共射极HBT集电极-发射极电压过高而击穿。Stacked HBT基极电压选择为2 V。
2.3 有源偏置电路设计
功率放大器的偏置常采用电阻分压或者电感实现。但是由于电阻在工艺制造中误差较大[7],引起偏置不准确。电感偏置实现所占用芯片面积较大,同时在毫米波段,工艺库提供电感通常Q值很低,需要通过电磁仿真设计,不易实现。而有源偏置电路具有实现面积小、设计方便的优势,如图中虚线框所示,由二极管连接的Qb1、Qb2和电阻Rbias1和电容Cb给镜像支路Qb3提供稳定的基极电位,Rbias2的加入减小了Qb3的非理想因素,提高偏置的稳定度。通过改变Q1,Q2,Rbias1的参数使得偏置电路输出稳定的0.83 V电压。本设计电路器件参数如表2所示。
3 结果及分析
采用Cadence Spectre软件对电路进行仿真,仿真结果如图3~图5所示,从图中可以看出,在整个频带内,稳定性因子(K)大于1,功率放大器无条件稳定;在35~40 GHz内,S11<-10 dB;输出1 dB压缩点功率(P1dB)17.8 dBm,P1dB处的功率附加效率(PAE)为33.2%,在38 GHz处功率增益达到最大值19.0 dB,功耗252 mW。表3给出了本设计与其他文献的性能对比,可以看出,本文设计的功率放大器提高了输出功率、增益和效率。
4 结论
本文基于IBM 0.13 μm SiGe工艺设计了一种应用于38 GHz频段的功率放大器。由于四分之一波长占用面积较大,提出了利用传输线的电感效应和HBT寄生电容谐振的方法,减小了芯片面积;同时采用堆叠HBT的结构,提高了功率放大器的增益;通过优化有源器件的尺寸和静态工作点,增加了输出功率和效率。仿真结果表明:38 GHz 功率放大器1 dB压缩点输出功率为17.8 dBm,功率增益为19.0 dB,1 dB压缩点处的功率附加效率(PAE)为32.3%,功耗为252 mW。与其他文献对比,本设计实现了输出功率大,增益和效率高的设计目标。
参考文献
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