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類型分類:
科普知識
數(shù)據(jù)分類:
運算放大器

新一代寬帶寬功率放大器設計

發(fā)布日期:2022-04-17 點擊率:148

  功率放大器是構建新一代通信系統(tǒng)的核心組件,這類通信系統(tǒng)需要超寬的帶寬以支持高數(shù)據(jù)速率。為了設計一款高效的功率放大器,晶體管必須工作于開關模式之下,并且/或者具有反射端接諧波。然而,為了能在一個以上倍頻程帶寬下正常工作,在較低頻率下,諧波端應在帶內。此外,Bode-Fano帶寬理論認為,對于給定的復合負載,可實現(xiàn)帶寬存在一個基本限值,該限值會降低目標負載阻抗,進一步偏離高效條件。

  在本文中,我們將比較和對比兩種不同的寬帶高效功率放大器設計技術。一種設計采用一種非均勻分布式放大器拓撲結構,完全集成于一個MMIC之中,其輸入和輸出匹配至50 Ω。另一種設計采用混合式設計技術,在封裝中集成了橋接-T輸入匹配MMIC。本文將首先簡要描述電路制造工藝,然后逐一展示和討論各種設計拓撲結構。

  器件技術和工藝

  這里使用的AlGaN/GaN HEMT器件基于TriQuint的0.25 μmGaN工藝TQGaN25,采用100mm SiC晶圓制成。這是一種TriQuint推出的大規(guī)模制造技術。在PAE匹配條件下,一個四指100μm柵極寬度晶體管(偏置電壓:Vd=40V,Id=100 mA/mm)的典型功率密度為5.5W/mm,10GHz時的PAE為60%。

  分布式放大器設計

  A. 電路設計

  為了實現(xiàn)最高的功率和效率,我們選擇了非均勻分布式功率放大器(NDPA)拓撲結構。NDPA不是以50Ω的阻抗端接漏極線路,而是采用了漸變傳輸線。為每條傳輸線路選擇特定的寬度,以便為每個單元提供最佳負載。在某些情況下,各個單元的器件尺寸也采用漸變設計。

  由于目標工作頻率為30MHz至2.7GHz,所以,我們選擇了5-單元設計,器件總周長為2.4mm,以實現(xiàn)功率、增益、帶寬和芯片尺寸的平衡。隨后,我們計算出了各單元的器件尺寸和傳輸線路阻抗。結果如表1所示。第一個單元的尺寸為1.2mm,其目的是實現(xiàn)功率和效率的最大化。其余單元尺寸相等,均為0.3mm。請注意,在表1中,有一列為各個單元的漏電流(Id)。該電流表示器件的最大驅動電流,設定了輸出走線的最小寬度。

新一代寬帶寬功率放大器設計

  表I:5單元NDPA的計算結果

新一代寬帶寬功率放大器設計

  圖1:10W高效分布式放大器MMIC示意圖。芯片的總尺寸2.4 mm×1.8mm。

  MMIC成品如圖1所示。芯片的最終尺寸為2.4mm×1.8mm。為了支持最低30MHz的工作頻率,我們選擇了片外偏置選項。這種設計的一個特點是在第一單元輸出端使用了線圈。請參考前面的表1,處理450mA電流所需的最小寬度為30μm。然而,在100μm厚的SiC基板上,寬30μm線路的典型阻抗只有76Ω,離最佳負載100Ω還有很大的差距。然而,線圈實際上會通過互耦合的方式增大線路的有效阻抗,仿真條件下,該線路的阻抗為105Ω。這樣就可以實現(xiàn)高效運行。

  B. MMIC測量值

  我們把MMIC成品焊接在一塊厚40密耳的CuMo承板上,同時把RO4003板裝在MMIC周圍,以便進行評估。我們對電路板上的50?走線進行了去嵌入處理,使測量參考平面位于焊線的末端。如圖2所示,在30MHz至2.7GHz范圍內,典型增益為20dB,并且在相同頻率范圍內,輸入和輸出回波損耗為10dB或更低。

新一代寬帶寬功率放大器設計

  圖2:NDPA的實測小信號S參數(shù)值。MMIC在偏置于30V,360mA。

新一代寬帶寬功率放大器設計

  圖3:分布式放大器的實測Pout和PAE值。放大器以27dBm的恒定輸入功率驅動,偏置電壓Vd=30V,偏置電流Idq=360mA。

  大信號測量值表明,結果良好。圖3所示為MMIC在整個頻率范圍內,在27dBm的恒定輸入功率(這相當于約5dB的壓縮值)下的輸出功率和PAE。當漏極電壓為30V時,MMIC在不超過2.5GHz的整個頻率范圍內可產(chǎn)生大于10W的輸出功率,在不超過2.7GHz的范圍內,可產(chǎn)生8W或以上的輸出功率(功率密度超過4 W/mm),并且在整個頻段,PAE均優(yōu)于52%。在500MHz以下,MMIC可實現(xiàn)近70%的PAE。如此高的PAE源于第一個單元加載了高阻抗。請注意,這里展示的功率和PAE測量值只是在基頻輸出功率條件下得到的結果,不得用于計算功耗。要計算功耗,我們必須使用總功率,包括諧波下的所有功率。

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