基于GaAs工艺的可变增益功率放大器的应用设计
来源： 作者： 发布时间：2014-12-01 14:13:54 浏览量：根据设计目标确定相应的电路拓扑结构，拓扑结构的选择决定着整个电路的性能，对有源器件进行负载牵引，找出有源器件能够输出最大功率时的输入和输出阻抗在阻抗圆图上的位置。本文所用1 mm栅宽模型如图4 所示，图4(a)为模型版图形，用于进行器件建模，图4(b)为通过测量参数拟合的大信号模型。输出匹配网络的设计着眼于最大的功率输出，拓扑结构如图5所示。
图4 1 mm栅宽器件模型
图5 功率放大器拓扑结构
3 CAD设计仿真与测试结果
按照图1和图5的拓扑结构，使用ADS仿真工具结合GaAs PHEMT工艺模型，对电路进行设计和优化。
利用ADS对功率放大器单片集成电路的无源元件进行结构设计和优化，调整电容、带线等匹配元件的尺寸，对电路的工作频带、增益、驻波、输出功率和效率等参数进行优化，利用ADS中的谐波平衡仿真软件进行大信号仿真，并对版图进行电磁场仿真。ADS仿真包括原理图仿真和版图仿真，在原理图仿真中，取得电路各个元件的初值，并按照设计目标进行优化，但是原理图仿真只考虑了有源器件、金属带线等器件的独立测试模型，并未考虑版图中器件之间的相互耦合，得到的元件值与实际情况是有差距的。为了精简单片集成电路面积，器件间距接近单倍线距，必须考虑线间耦合对放大器性能的影响，因此，使用2.5D版图仿真工具MOMENTUM,采用矩量法对电路的线间耦合及层间耦合进行了电磁场仿真。
图6 功率放大器的仿真及测试结果
图6中的虚线是经过优化之后的放大器版图电磁场仿真结果，实线为测试结果。由图中可知增益控制范围为35 dB,1 dB压缩点输出功率Po(1 dB)在频带内都大于33 dBm,功率附加效率ηPAE大于30%.本文设计的带增益控制功能的功率放大器单片集成电路采用GaAs工艺进行流片验证，并进行载体测试，单片集成电路的安装采用装架和键合工艺，安装完成的载体如图7所示。分析仿真和实测结果，增益变化曲线在Vc为0,-0.2,-0.4和-0.6V吻合得较好，在Vc为-0.8V和-1V时有一定的偏差，实测的增益比仿真要低2~4dB,原因可能是当FET的栅压偏置在-0.8V和-1V时，比较接近夹断区，模型跨导的拟合准确性较差，实际该偏置下的跨导比模型的拟合值要低。1dB压缩点输出功率和功率附加效率的实测曲线和仿真曲线吻合得较好，该两项指标都是在Vc=-0.6V时进行测试的，此时放大器工作在饱和区，模型拟合值在该区域比较接近实插件电感器际值，所以该两项指标与仿真结果吻合得较好。
图7 载体安装完成图
4 结论
本文分析了增益控制电路原理、增益控制对功率放大器指标的影响;使用电磁场仿真工具，在保证电路性能基础上精简版图面积，极大地降低了单片集成电路成本;通过流片和测试，验证了单片集成电路设计方法和思路的正确性和可行性;在不增加功率放大器单片集成电路面积和降低性能的情况下加入了增益控制功能，降低了成本，在卫星通信和数字微波通信等领域具有广泛的应用前景。本文采用目前制作微波单片集成电路成熟的GaAs赝高电子迁移率晶体管( pseud功率电感omorphic high electron mobility transistor,PHEMT)工艺进行多功能功率放大器的多层片式电感器研制，其工艺稳定，成品率高，在缩短研发周期和降低成本方面具有不可替代的地位。
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