一种GaAs HBT堆叠式功率放大器设计

文/崔晓婷 张金灿

功率放大器(PA)作为射频收发信机必要的组成模块，其主要作用为放大射频信号，以便于下级模块较好地接收。为了在射频极端频率下工作，同时以高效率提供适当的功率输出，III-V族化合物半导体(例如：GaAs，InP和GaN)是射频功率放大器(PA)的首选集成电路工艺技术。该技术可提供具有高击穿电压水平的高速器件，以及低损耗无源器件，因此可以获得高功率密度和高效率。

图1：堆叠FET概念

图2：2堆叠双极型放大器

图3：本文设计的PA电路

图4：S21仿真结果

图5：大信号增益仿真结果

图6：功率附加效率PAE仿真结果

图7：输出功率仿真结果

为了提高PA的输出功率Pout，可以通过将器件串联组合并增加电压的方法来实现，从而代替通过增加电流的方式实现。串联连接最大的一个优点就是，增加了最佳负载，使器件更容易与系统阻抗匹配。堆叠式PA结构便是该技术应用的很好例子。堆叠式PA是基于电压倍增的Pout增强电路。该拓扑已应用实现了具有高输出功率的PA，其中共射晶体管用于驱动共基晶体管。

1 电路设计

文献[2]中介绍的堆叠FET概念已被广泛应用于较低射频频段PA，以及CMOS射频PA设计中。该结构如图1所示，其输入端口为共源极结构FET的M1，结构中将M1电流馈入串联的晶体管M2和M3，以构成3堆叠式电路结构。C2、C3的引入与晶体管M2、M3的栅-源极间电容Cgs分别控制栅极摆幅的量以及晶体管M1、M2漏极处的阻抗，该结构中晶体管M2和M3漏极处的阻抗可表示为：

该概念可应用于双极型堆叠式放大器中，如图2所示。在这种情况下，晶体管Q1的集电极上呈现的阻抗计算如下：

其中S=jω。Cπ和gm分别为小信号基极-发射极电容和器件跨导。在工作频率f0远远小于器件截止频率fT时，Z2只剩下实数阻抗，并保持适当的同相运行。因此，堆叠双极型PA与堆叠FET工作的方式类似。

2 仿真结果与讨论

本文设计PA采用堆叠双极型放大器，如图3所示。PA输入阻抗在S11共轭处匹配，以获得最大增益条件。使用负载牵引技术匹配PA输出阻抗以获得最大输出功率Pout。输入和输出匹配网络均使用两个L型网络实现。

基于商用的2 μm GaAs HBT工艺对图3所示的PA电路进行设计，仿真采用ADS 2016软件。图4所示即为仿真得到的小信号S21参数，由图可见，小信号增益在4.3GHz处取得24.6dB的最大增益，并且PA的3dB带宽频段为3.3～5.4 GHz。图5给出了PA在4.3 GHz下，大信号增益的仿真结果，取得了24 dB的大信号增益。功率附加效率PAE仿真结果如图6所示，PAE最大值为43%。图7给出了输出功率的仿真结果，可见，输出功率达到了23.4 dBm的饱和值。

3 结论

本文基于商用的2μm GaAs HBT工艺，设计了一款堆叠式PA。电路仿真采用ADS 2016软件。仿真结果表明，该PA取得了3.3～5.4 GHz的3 dB带宽，在4.3 GHz频率下，取得了24 dB的大信号增益，43%的最大PAE，23.4 dBm的饱和输出功率。