摘要：用Jazz 0.35μm SiGe BiCMOS工艺设计了一个宽带、高线性和增益可调的功率驱动放大器。放大器采用两级级联结构，第一级采用差分结构，双端输入单端输出，第二级采用单端输入单端输出的共发射极放大结构，在3.3V电源电压下，放大器带宽达到0.82-2.2GHz，高增益模式下放大器小信号增益为29.7±1.3dB，低增益模式下小信号增益为19.7±0.9dB，输出1dB压缩点大于13.7dBm，总的直流电流小于20 mA。
关键词： 功率驱动放大器；SiGe BiCMOS; 宽带；1dB压缩点
1 引言
功率放大器的发展方向是高线性度、高效率、高带宽及高集成度，以满足各种不同类型无线通信系统的应用需求，功率驱动放大器位于功率放大器的输入端，其作用是向功率放大器提供足够的输入信号，以驱动功率放大器输出足够的功率，其关键指标包括线性度、带宽和功耗等。
本文采用JAZZ 0.35μm SiGe BiCMOS工艺在Cadence环境下设计了频率从0.82GHz到2.2GHz的宽带射频功率驱动放大器，完成了电路设计、前仿真和版图设计。该设计适用于IS-95、GSM、SCDMA、PHS、TD-SCDMA、以及WCDMA等通信系统。
2 功率驱动放大器工艺选择
SiGe既拥有硅工艺的集成度、成品率和成本优势，又具备如砷化镓(GaAs) 和磷化铟 (InP)在速度方面的优点。只要增加金属和介质叠层来降低寄生电容和电感，就可以采用SiGe半导体技术集成高质量无源部件。此外，通过控制锗掺杂还可设计器件随温度的行为变化。SiGe BiCMOS 工艺技术几乎与硅半导体超大规模集成电路 (VLSI) 行业中的所有新技术兼容。所以本次设计采用JAZZ μm SiGe BiCMOS工艺。
3 功率驱动放大器电路设计
射频功率放大器分线性放大器和非线性放大器，线性放大器的线性度高，非线性放大器的效率高[1-3]。本设计要求较高的线性度，所以采用线性放大器的A类结构。
3.1 电路结构
功率驱动放大器采用两级级联结构，连接在混频器的差分输出端，第一级采用差分结构，双端输入单端输出，第二级采用单端输入单端输出的共发射极放大结构，如图1所示。
差分放大器的基极和集电极间的反馈通过片外控制信号Gainctrl经片内晶体管M4和M5组成的MOS管反相器控制片内的MOS管开关M1和M2来实现增益控制，开关的导通和截止分别对应低增益和高增益两种工作模式。放大器第一级和第二级的集电极负载电感L3、L4、L5以及输入匹配电感L1、L2均为片内螺旋电感。图1中弧线表示键合线电感。
3.2 偏置电路
一个高线性的功率驱动放大器拥有稳定的具有温度补偿的偏置电路是很重要的[4]，图1所示功率驱动放大器的偏置电路如图2 所示。
Q2和Q1组成镜像电流源给放大管提供偏置电流，电流的大小由电阻R1控制，二极管方式连接的Q3是为了让Q1的基极电压保持在一个合适的电位，偏置电路的线性化是通过Q1管的基极发射极的pn结和旁路电容C1达到的，当输入功率增加时，偏置电路提供给放大管Q0的基极电压和集电极电流也随之增加，因此扩展了A类的工作范围，从而获得更高的输出1dB压缩点。
温度补偿功能是通过偏置电流支路的电阻R1、R2和R3实现的，让Q2和Q1在温度变化时两管的基极发射极电压失配最少，设计满足下面的等式（1）：
AE(Q1)、AE(Q2)分别代表Q1和Q2的发射极面积，β1是Q1的电流增益。电阻值满足上式的设计，在偏置电流增加时，Q2和Q1管的基极发射极电压减小，这样偏置电流能够在一个比较宽的温度范围内保持稳定。因为R3引起附加的功率损失和偏置网络的输入阻抗的增加从而使得线性度变差，所以并联在R3上的电容C2能够同时起到温度补偿和提高线性度的作用。
3.3 宽带的实现
本次设计在低增益和高增益的情况下都要满足0.82GHz到2.2GHz的带宽，为了实现这一带宽，电路采用了并联峰化技术来拓展带宽[3] [5]。
式（2）中可以看出并联峰化技术是通过在放大器系统中增加零点来达到拓展带宽的目的。
对于单级的放大器的网络阻抗和频率关系满足下面等式（3）：
式（3）中分子里有一项是随频率的增加而增加的，分母1-ω2LC这一项对于低于LC谐振的频率也会使|Z|增加，这两项同时扩展了带宽。
在Cadence环境下，对电路在加有源电阻和不加有源电阻的情况下对电路分别进行了仿真，仿真结果比较如图3所示。
从图3中可以看出不采用并联峰化技术的放大器3dB带宽是从1.171GHz到1.922GHz；采用并联峰化技术的放大器3dB带宽是从0.808GHz到2.291GHz。采用并联峰化技术以后带宽几乎提高了2倍。
4 仿真结果
在Cadence软件平台上，对电路进行了搭建，使用Jazz μm SiGe BiCMOS工艺对电路进行了前仿真。
4.1 小信号S参数的仿真结果
电路采用3.3V电压源，在高增益情况下的S21如图4所示，在图中可以看到高增益情况下的小信号增益从0.82~2.2GHz是29.7±1.3dB。
在低增益情况下的S21如图5所示，在图中可以看到低增益情况下的小信号增益从0.82~2.2GHz是19.7±0.9dB。
4.2 输出1dB压缩点的仿真
工作频率在1.5GHz时，高增益情况下和低增益情况下的输出1dB压缩点分别如图6和图7所示，高增益情况下输出1dB压缩点是13.7dBm，低增益情况下输出1dB压缩点是14.1dBm。
4.3 仿真结果小结
电路仿真结果总结于表1。
5 版图设计
版图设计采用Cadence设计工具和JAZZ 0.35μm SiGe BiCMOS元件库。版图设计中考虑到以下几个问题：首先考虑到功率放大器大电流的特点，输出级采用两个管子并联输出；地线采用最厚的顶层金属，布置了足够的宽度以满足大电流的通过。其次为了尽量减小接地键合线电感对电路的影响，设置了多个对地焊盘以便引出多条键合线与地线相连。功率驱动放大器的版图如图8所示。
6总结
采用JAZZ 0.35?m SiGe BiCMOS工艺设计的宽带、高线性射频功率驱动放大器通过电路设计软件的优化满足宽带和高线性的要求，适用于IS-95、GSM、SCDMA、PHS、TD-SCDMA、以及WCDMA等通信系统。
参考文献
[1][美] Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko射频电路设计—理论与应用[M]。北京：电子工业出版社。
[2][美]Andrei Grebennikov.射频与微波功率放大器设计[M]。北京：电子工业出版社。
[3] [美]Thomas H. Lee.CMOS射频集成电路设计[M].北京：电子工业出版社。
[4] Wei-Chun Hua; Hung-Hui Lai; Po-Tsung Lun; Chee Wee liu;Tzu-Yi Yang; Gin-Kou Ma. “High-Linearity and Temperature-Insensitive 2.4GHz SiGe Power Amplifier with Dynamic-Bias control”[C]. IEEE Radio Frequency integrated Circuits (RFIC) Symposium, 2005. Digest of Papers, 12-14 June 2005 Page(s):609 – 612
[5] Park, Y.; Lee, C.-H.; Cressler, J.D.; Laskar, J.; Joseph, A.“A very low power SiGe LNA for UWB application” IEEE Microwave Symposium Diges，12-17 June 2005 Page(s):4 pp.
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