一款高三阶交调点的GaAs射频放大器

随着社会的发展，5G 通信快速发展并运用在各个社会领域当中。网络直播，远程医疗，远程操控，物联网等领域都有了日新月异的发展。与之前的4G 通信相比，载波宽带从20 MHz 提高到了如今的100 MHz。这使得数据的传输速率更快，网络延迟时间成倍减少^[1]。在日常生活对互联网通信的要求越来越大的今天，网络通信已经成为了，人们生活中接触最频繁并且最重要的组成部分。衡量人民生活幸福质量的重要标准。现阶段针对5G 通信，通常采用高功率增益，高线性度的宽带放大器对前级信号进行预放大处理。高线性度代表着在输入功率提高时，整个通信系统有更少的非线性失真。

本文采用2 μm GaAs HBT 工艺，设计了一款可工作在10 MHz~4 GHz 频率下的高线性度高增益放大器。实际测试放大器的输出三阶交调截止点大于40 dBm。并且可以满足器件的功率增益大于20 dB，输出1 dB 压缩点大于20 dBm。器件测试参数结果满足5G 通信要求，可应用于手机基站、无线图像传输等通信系统当中。

1 理论分析与电路设计

1.1 电路结构

异质结晶体管 (Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)。在目前主流的砷化镓材料器件中，HBT 因具有很强的电流放大能力，从而被越来越多应用到放大器的设计当中。HBT 的集电极（C）、基极（B）、发射极（E）使用不同材料制成，所以被称做异质结结构器件。使用了更薄的基极材料HBT 的晶体管禁带更宽，发射极的注入效率提高，所以使晶体管的截止频率变大，功率增益更高。晶体管的电流是垂直走向，所以具有很高的电流密度，因为HBT 具备的这些特点，所以本文选择采用HBT 工艺对放大器进行设计。

达林顿结构是一个将晶体管串接起来的结构。将第1 个晶体管的发射极接到第2 个晶体管的基极，集电极相互连接。这样的链接结构可以提高放大器增益的晶体管结构。如图1 所示，Q1，Q2 晶体管组成了一个共集-共射结构，这就是一个简单的达林顿结构^[2]。与典型的单管放大结构相比，加入了晶体管Q1，可以提高电流增益并且增大输入阻抗。

与典型的放大结构相比，达林顿结构的优点有：输入阻抗高；带宽较大，成本低；结构简单不需要复杂匹配，面积小。按照图1 所连接的情况，该结构总的电流增益为是^[3]：

   (1)

这使得达林顿结构有较强的电流放大能力，较高的功率增益，并且有良好的增益平坦度。利用这个特性我们可以用这个结构来设计高增益高线性度的放大器。所以本文选择以达林顿结构为基础，进行调整优化后对此款放大器进行设计。

1.2 电路设计

对于宽带放大器而言，线性度是一个可以评价性能的重要参数指标。在设计放大器时使用的晶体管是非线性的，当在小信号情况下，晶体管的输出信号与输入信号呈现线性的关系，此时可以忽略放大器的非线性。但当输入信号功率变大或者信号频率增加的时候，输出信号的非线性会表现的很明显。其中主要包括增益降低，谐波失真，交调失真等非线性情况。

当有两个频率接近的信号输入时，我们可以将信号表示为下面的式子：

v(t) = A₁cosω₁+A₂cosω₂   (2)

把输入信号代入公式，用泰勒级数展开后近似可以得到输出端的信号式子，在此种情况下除了会有ω₁、ω₂频率分量以外，还有直流分量，与频率（2ω₁±ω₂）和（2ω₂±ω₁）相关的谐波分量，展开式子后，其中包括：

A₁²A₂a₃cos(2ω₁-ω₂)t+A₁A₂²a₃cos (2ω₂-ω₁)t   (3)

在式（3）的分量中可以存与频率ω₁、ω₂相关的频率分量。当ω₁与ω₂接近的情况下，2ω₁-ω₂和2ω₂-ω₁是与主信号频率（ω₁、ω₂）接近的两个信号频率^[4]。因为过于接近，所以这两个新产生的交调量难以滤除。这一个三阶交调分量是对放大器性能的主要干扰，为了衡量这一个指标，采用输出三阶交调点（Output thirdorder Intercept Point, OIP₃）指标来表示三阶交调分量对信号的干扰程度。图2 是三阶交调截止点的示意图，三阶交调信号线的斜率更大，随着输入功率的增加，它上升的更快。将两条线虚拟延伸，得到一个交点，此时的输出功率与三阶交调的输出功率相等，把这两根线条的交点叫做输出三阶交调截止点。

1.3 仿真设计

为了提高放大器的线性度，设计时在前文介绍的达林顿结构的基础上添加了偏置结构。晶体管Q₁与电阻R₁，R₂，R₃组成的偏置结构可以稳定电路的直流偏置点，提高电路的线性度。同时可以使得电路在高温和低温状态下的工作性能可以尽量与常温状态下保持一致。Q₂与Q₃，Q₄~Q₉晶体管组成达林顿结构。因为功率较高第二级晶体管上需要通过较大的电流，所以在设计当中采用了并联晶体管的方式，降低了每个晶体管上通过的电流，降低可能因为电流过大的产生的热效应，提高晶体管的耐功率裕度，并且并联结构可以降低电路的噪声系数。电阻R₆~R₁₃在晶体管的发射极连接到地电位，起到负反馈的作用^[5]。电路基本结构原理图如图3 所示。

Q₂，Q₃晶体管的尺寸选择1.9 μm×8 μm, Q₄~Q₉的尺寸原则为2 μm×10 μm。因为第二级晶体管为并联，所以面积大约是第一级放大器的3.9 倍^[6]。Q₁ 的尺寸选择1.6 μm×6 μm，从仿真过程中看，减小面积可以提高放大器的线性度。并且它的基级与第二级晶体管基级相连，保证了温度变化下的直流特性。在绘制版图时合理布局最终得到的芯片尺寸为0.56 mm×0.61 mm。

2 测试与验证分析

电路采用SOT89 塑封封装管壳，应用验证板如图4。测试条件为电源电压V_CC=5 V。使用网络分析仪对电路进行三阶交调截止点等参数进行测试，三阶交调点测试曲线如图5。器件的工作频率为10 MHz~4 GHz。在输入信号100 MHz ~1 GHz 范围内，输出三阶交调点超过40 dBm。且能够保证功率增益达到20 dB，且增益曲线平坦，输出1 dB 压缩点达到21 dBm，电路在大功率输入情况下也拥有较好的线性度。测试结果表明实际测试与仿真结果基本一致，电路实现了高三阶交调点。说明本文中采用的以达林顿结构为基础，添加偏置结构对电路进行优化的方法可行有效。

图4 测试验证板

3 结束语

本文基于达林顿晶体管放大结构设计了一款高增益高三阶交调点的射频放大器。使用2 μm GaAs HBT 工艺流片设计，对晶体管结构进行优化，提高了工作带宽，利用HBT 晶体管搭建的达林顿结构抑制了三阶谐波分量，提高了OIP₃ 参数，输出三阶交调点40 dBm，提升了电路的线性度。此时功率增益达到20 dB，且增益曲线平坦，输出1 dB 压缩点达到21 dBm。电路满足5G通信使用频率并具有高增益，高线性度的特点，可用于通信收发链路当中，具有很强的应用前景。

图5 三阶交调点测试曲线

参考文献：

[1] 宋楠. 基于GaAs HBT 的增益放大器研究与设计[D].上海:复旦大学, 2014.

[2] 张博,李力阳.0.1~6 GHz 高线性度低功耗 InGaP/GaAs HBT射频放大器[J].电子元件与材料,2019, 39(10): 59-65.

[3] WEI Y, STAUDINGER J, MILLER M. High efficiency linear GaAs MMIC amplifier for wireless base station and Femto cell applications[C] // 2012 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications. IEEE, 2012: 49-52.

[4] B.RAZAVI. RF Microelectronics, Second Edition[M].北京:机械工业出版社, 2016.

[5] COERS M, BOSCH W. DC to 6.5 GHz highly linear low-noise AlGaN/GaN traveling wave amplifier with diode predistortion[C]//2014 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2014). IEEE, 2014: 1-4.

[6] 梁永明.毫米波低噪声放大器研究与设计[D].浙江:杭州电子科技大学,2018.

（本文来源于威廉希尔 官网app 杂志2023年6月期）