0 引言

    功率放大器芯片是移動收發系統中一個非常重要的部件，其性能直接影響到手機的通話質量、信號發射強度、電池續航能力等。射頻收發系統對功率放大器的指標需求指功放輸出級的性能要求，所以多級功率放大器最后一級的線性度對系統總體的線性度影響很明顯。另一方面，隨著通信系統的演進，移動終端射頻前端需要集成多顆功放芯片實現多通信標準下的使用，功率放大器易發生三階交調失真(Third Order Intermodulation Distortion，IMD3)，對線性度要求更高。因此，功率放大器對射頻收發系統的性能有著至關重要的作用。

    雖然CMOS工藝一直用于GSM手機功率放大器，同時也用于滿足藍牙和無線局域網(WLAN)的功放要求，也一定程度上用于3G手機功放，但對于4G LTE而言，CMOS工藝的功率放大器是無法達到要求的。主要原因是在性能上有很多缺陷，例如增益低、線性差、擊穿電壓低、隔離性能差等。此外，4G LTE通信系統相比較于3G對功率放大器的要求包括更線性的放大倍數，更高的峰均功率比，更高的效率。因此，對LTE應用射頻功率放大器(Power Amplifier，PA)，以具有高頻、高效率、低噪聲、低耗電等特點的InGaP/GaAs HBT工藝為目前移動終端射頻功率放大器設計采用的主流工藝。

    目前廣泛應用的3G、4G系統通過IMD3或者鄰信道泄漏率（Adjacent channel leakage ratio, ACLR）對功率放大器線性度進行衡量。而有源器件的IMD受偏置條件影響，隨偏置電流變化而變化^[1]。文獻[2]應用Volterra級數展開分析了一個兩級功放的IMD3消除機制，最終通過優化每級偏置電阻實現IMD3的削弱。文獻[3]應用Volterra級數展開分析了一個三級功放的IMD3消除機制，最終研究了通過設置功放第一級的偏置條件實現總體IMD3的改善。

    本文介紹了一個工作在2 300～2 400 MHz頻段基于InGaP/GaAs HBT工藝的兩級功率放大電路。分析了一個兩級功放的Volterra級數展開式，以及影響IMD3的主要因素，并通過電路方式進一步削減IMD3提高線性度。還應用了溫度補償的有源偏置電路以及一個F類工作模式的輸出匹配，使功率放大器在較大的溫度范圍下，保證高線性度的同時具有高的效率。最終進行了流片，芯片測試結果良好，并對比了沒有進一步IMD3削弱的方案。

1 兩級功放IMD3理論分析

    一個兩級功放的IMD概念簡化框圖如圖1所示，從該圖可以看出輸入信號經過功放后輸出非線性增加明顯。

    為了分析圖1這個兩級功放的非線性機理，對每級功放應用Volterra級數展開，其非線性轉移特性表達式可表示為^[1]：

    上式中的高次項因為都比較小，所以都忽略。如式(7)輸出級的IM3電壓由兩項矢量相加得到，其中第一項是由功放第一級產生，第二項是由第一級輸出的基頻信號經過功放第二級產生。假設將式(7)的兩項分別定義為各級的增益偏差，如果a₃/a₁和b₃/b₁都為正，將會產生增益擴展；反之，將產生增益壓縮。因此，調整這兩項使其相位反向可以非常有效地優化IMD3，最終如圖1所示的總體IMD3將會顯著改善^[2]。所以，本設計的功放第一級將會產生增益擴展，第二級產生增益壓縮。

    從式(7)中還可以發現兩項IM3電壓都與a₁有關，所以輸出級的IM3電壓與第一級的偏置條件相關，即輸出級的IM3電壓隨第一級的偏置條件變大而變大^[3]。因此，本設計第一級的偏置條件的設置需要考慮IM3。

    此外，上述理論推導由于忽略了第一級輸出的2ω₁、2ω₂和(ω₁+ω₂)等頻率信號，在實際應用方面存在偏差。因此，可以進行進一步優化。

2 電路設計

2.1 偏置電路

    由于HBT晶體管基-發射結的整流特性，隨著輸入的功率信號增大，大的負電流信號和大的正電壓信號會被削減，引起基-發射結電壓(V_be)的減小，并導致跨導的減小，最終致使更早的增益壓縮和失真^[4]。而這可以通過采用有源偏置電路偏置提升技術實現對V_be補償^[5]。此外，HBT晶體管有很強的熱敏感性，器件性能受外部環境溫度以及自熱效應的影響明顯，對其進行溫度補償能提高線性度^[6]。

    因此，本文采用片上溫度補償偏置電路如圖2所示^[7]。該偏置電路對功放級進行了線性度補償和溫度補償，補償電路分別如圖2箭頭所指虛線框電路。應用該線性補償電路可以有效地改善功放線性度實現增益擴張。如圖3所示，調整偏置電路電容C_L值分別為0、1 pF和5 pF，可以看出基-發射結電壓(V_be)在輸入大信號時隨C_L增加而改善明顯，即調整電容C_L可以很有效地引起該級功放的增益擴張。

    該偏置電路通過調整偏置電路中的偏置電阻R_bias的阻值可以改變偏置條件，從而改變輸出級的IM3電壓。但是，如圖4所示，分別設置R_bias的阻值為0、20 Ω和50 Ω，可以看出基-發射結電壓(V_be)在輸入大信號時隨R_bias增加而明顯惡化，即增大R_bias的阻值明顯引起該級功放的增益壓縮。

    對比圖3和圖4可以發現，分別對電容C_L和偏置電阻R_bias進行折中處理，可以在保證增益擴張的同時，盡可能地滿足本設計通過偏置條件改善IMD3的要求。

2.2 F類輸出匹配網絡

    功放要達到較高的效率，輸出匹配網絡的設計非常關鍵。理論上，F類功率放大器可以獲得100%的效率。F類功率放大器的原理是對功放輸出級晶體管集電極電壓或是電流中的諧波成分進行控制，歸整晶體管集電極的電壓波形或者電流波形，使得功放工作時電壓、電流沒有重疊區，從而減少了功放的工作損耗，提高了功放的效率。

    本文所設計的輸出匹配網絡如圖5所示。該輸出匹配網絡的設計將射頻扼流電感L3也考慮了在內。其中，由C1和L1構成的串聯匹配網絡對輸出的二次諧波進行濾波；由C2和L2構成的串聯匹配網絡對輸出的三次諧波進行濾波；由C3、C4和L5構成的π型匹配網絡對高次諧波進行濾波；C5為隔直電容。負載經由此阻抗變換網絡，在集電極看到的電壓、電流時域波形仿真圖如圖6所示，該波形圖為輸出飽和功率為32 dBm時所測得。

    理想的F類輸出匹配網絡，由于電壓的偶次諧波短路，電流的奇次諧波開路，集電極的電壓波形為方波，電流波形為正弦波，彼此波形之間沒有交疊部分^[8]。從圖6可以看出，電壓、電流波形重疊部分較少；且電壓近似方波，電流近似正弦波。因此，該輸出匹配網絡近似為F類輸出匹配網絡。

2.3 級間匹配網絡

    級間匹配的主要作用是使前一級的功率能夠驅動后一級。因此，本文采用最簡單的L型級間匹配網絡。本文所設計的級間匹配網絡如圖7所示，該匹配網絡的左端口接第一級輸出，右端口接第二級輸入。其中，電感L_C為第一級連接電源的扼流電感，且參與級間匹配；電容C_b不僅參與匹配，還起到隔直流的作用；電容C₀和L₀構成串聯諧振電路，諧振于二次諧波頻點，補償理論推導中忽略的2ω₁、2ω₂和(ω₁+ω₂)等頻率信號。

3 功率放大器的實現

    經過面前的原理分析及電路設計，一個工作在2 300～2 400 MHz頻段基于InGaP/GaAs HBT工藝的兩級功率放大器原理圖如圖8所示。其中偏置電路如圖2所示；虛線框所示為級間諧波抑制網絡，該網絡不僅可以優化IMD3，還可以優化F類輸出匹配網絡二次諧波分量。圖8中陰影部分為MMIC部分將經過流片實現。作為對比，本文還設計了沒有級間諧波抑制網絡及IMD3消除技術的功放。

    本文所設計的兩級功放最終采用Wavetek InGaP/GaAs HBT工藝進行了成功流片。如圖9為MMIC流片后的芯片照，該芯片大小為630 μm×740 μm，功放兩級的發射極面積大小分別為540 μm²和3 200 μm²，最終實現功放芯片大小為3 mm×3 mm。如圖9，線框部分為功放的級間諧波抑制網絡，該網絡的電感通過芯片PAD向基板打金線實現；如果沒有此電感該芯片可以轉換為使用正常L型匹配網絡的功放，因此同樣的芯片布局可以實現兩種方案的對比。

4 功率放大器測試結果與分析

    功率放大器的工作電壓為3.4 V；靜態電流分別為19 mA和52 mA，保證功放偏置在AB類。在2.35 GHz頻率點，使用安捷倫的信號發生器N5182A和信號分析儀N9030A搭建測試平臺，采用連續波(Continuous Wave，CW)信號輸入，測得該功率大器性能如圖10。從圖10可以看出，增益(Gain)為27.5 dB；輸出功率(Pout)的1 dB壓縮點為30 dBm，此時功率附加效率(Power Added Efficiency，PAE)達到了42%；最高效率點達到46%；對比傳統沒有應用IMD3消除技術及級間諧波抑制網絡的功放，在1 dB壓縮點附近PAE提高將近10%。

    同樣測試環境下，將輸入信號切換為10 MHz LTE調制信號輸入，峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)為6.1 dB，測得該功率大器性能如圖11。從圖11可以看出，本文相比傳統功放設計在信道偏移7.5 MHz，平均輸出功率為28 dBm時，通用地面無線接入鄰道泄漏率(UTRAACLR1)分別為-38.4 dBc和-37.8 dBc，線性度略好；而功率附加效率分別為38%和32%，效率提高了6%；另外本設計在功率回退時，PAE也有明顯的改善。表1所示為同樣針對LTE應用，采用InGaP/GaAs HBT工藝，工作電壓為3.4 V的功放性能對比；對比可以看出本設計具有較好的性能優勢。

5 結論

    設計了一種結構簡單的改善功率放大器的架構，分析了其IMD非線性機制，及進一步改善的方法；然后基于InGaP/GaAs HBT工藝設計了一個工作電壓為3.4 V，應用于LTE的兩級功放，芯片大小為3 mm×3 mm。芯片測試結果表明，該功率放大器在2.35 GHz處具有較高的功率附加效率及線性度，相比其他同類型功放也有明顯的性能優勢。

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