RFPA射频功率放大器综述

射频功率放大器的研究设计报告人：孙振源清华大学微电子研究所2012年3月23日目录•射频功率放大器概述•射频工艺对比•射频功率放大器的结构•参考设计分析•初定方案•参考文献射频收发系统结构[12]射频功率放大器的作用射频功率放大器的应用领域比较广泛，比如在雷达、通信、导航、卫星地面站、电子对抗设备中都需要它。例如•在有源相控阵雷达中，射频功率放大器就扮演着重要的角色。射频功率放大器作为T/R组件的重要组成部分，直接决定着T/R组件要求高功率，体积小、重量轻，可靠性高、成本低等技术参数；•射频功率放大器还能制成固态发射机；•在电子战中，射频功放可制成有源诱饵，避免飞机被导弹攻击；•在通信中，射频功率放大器广泛用于小功率或低数据率终端，如射频功率放大器的效率就很大程度上决定着个人移动电话的通话和待机时间。总之，在需要对射频信号进行功率放大的设备中都离不开射频功率放大器。主要性能指标1.输出功率2.效率a)漏极效率Poutb)功率附加效率PAE3.功率增益4.线性度a)1dB压缩点和三阶交调点IP3b)相邻信道功率比ACPR提高功率放大器的线性度以及功率附加效率成为功率放大器的关键技术，也是功率放大器研究的重点和热点[11]。国内外PA的发展状况举例单位名称性能备注中电13所1.5-4GHz超宽带微波功率放大器的设计频率1.5-4GHz，输出功率38.05-39.1dBm，增益36.5-39dB，功率平坦度1.05dB，耗散功率30W连智富等，2011；采用自匹配的场效应管，用集总元件、微带混合带宽匹配电路来实现。AWidebandPowerAmplifierMMICUtilizingGaNonSiCHEMTTechnology1.5-17GHz的单片微波功率放大器，在30V的偏压下，小信号输出功率为10dB，同时饱和输出功率达到9WCharlesCampbell,CathyLee,VictoriaWilliams,etc.IEEEJournalofsolid-statecircuits,Vol.44,No.10,Oct.2009.TriQuint公司WidebandPowerAmplifierMMICsUtilizingGaNonSiC带宽为2-18G，同时饱和输出功率达到11W的宽带单片微波功率放大器EliReese,DonaldAllen,CathyLee,andTuongNguyen.,IEEE/MTT-sMicrowaveSymposiumDigest,Sep,2010.A38-46GHzMMICDohertypoweramplifierusingpost-distortionlinearization38-46GHz,小信号增益为7dB,功放的饱和输出功率达21.8dBm,芯片面积2mm2。在使用栅偏置电压优化后,可进一步提高效率6%,三阶互调失真也可提高18dBTSAI,J-H,HUANG,T-W.,[J].IEEEMicrowaveWirelessCompLett,2007,17(5):388-390.Doherty,采用AB类放大器作为主放大器,用C类放大器进行峰值放大。国内外PA的发展状况举例（续）单位名称性能备注Avago公司AMMC-504020-45GHzGaAsAmplifier20-45GHz,增益25dB，增益平坦度±1.5dB，回波损耗17dB（输入）、11dB（输出），输出功率（38GHz时）P-1dB=21dBm，P-3dB=21dBm产品，芯片尺寸1720×760μm2Mimix公司2.0-18.0GHzGaAsMMICLowNoiseAmplifier2.0-18.0GHz，小信号增益18.0dB，增益平坦度±1.0dB，噪声系数3.5dB，P-1dB=16.0dBm，回波损耗10dB（输入）、15dB（输出）产品，自偏置结构，输入功率10dBmHittite公司HMC774DC-10GHz,不需要DC偏置，输入功率22dBm,LO/RF隔离度35dB,在7-43GHz之间上下变频GaAsMMICFundamentalMixer，芯片尺寸1.36×0.96×0.1mmRFMD公司SBB-50000.05-6GHz，内部匹配50Ω，OIP3=35dBm@2000MHz，P-1dB=20.5dBm@2000MHz，SingleFixed5VSupply,小信号增益20.5dB，噪声系数3.9dBCASCADABLEACTIVEBIASInGaPHBTMMICAMPLIFIER尺寸0.59mm×0.70mm目录•射频功率放大器概述•射频工艺对比•射频功率放大器的结构•参考设计分析•初定方案•参考文献不同材料工艺对比半导体材料的变迁：Ge、Si→GaAs、InP→SiC、GaN、SiGe、SOI→碳纳米管CNT→石墨烯Graphene碳纳米管(CNT)由于具有物理尺寸小、电子迁移率高，电流密度大和本征电容低等特点，被人们认为是纳米电子器件的理想材料。【11】零禁带半导体材料Graphene，因为具有很高的电子迁移速率、纳米数量级的物理尺寸、优秀的电性能以及机械性能，必将成为下一代射频芯片的热门材料。【11】不同材料工艺对比表1各种材料的性能参数[13]不同材料工艺对比[7]（续）不同材料工艺对比（续）器件类型特性优点特性缺点适用范围SiCMOS工艺成本最低,随着CMOS晶体管特征尺寸的不断下降、沟道长度不断的减小，截止频率不断上升，SOI(绝缘体上硅)工艺[7]高噪声、低绝缘度与Q值、为改善性能所增加制程成本[8]实现单芯片的无线收发机[7]SiGe高频特性良好，材料安全性佳，导热性好SiGeBiCMOS工艺技术几乎与硅半导体技术全部兼容[8]击穿电压、截止频率、功率消耗比砷化镓差[8]实现混合信号通讯系统SOC集成的优选技术平台[1]GaAsHBT电子迁移速率比硅高5.7倍，无需负电源的砷化镓组件，功率密度、电流推动能力与线性度超过FET[8]混合工艺做成的系统体积比较大[9]适合设计高功率、高效率、高线性度的微波放大器[8]SiC和GaN禁带宽度宽、击穿场强、饱和漂移速度高、热导率高、介电常数小、电子迁移率高、抗辐射能力强[2]材料制备工艺有待成熟，可靠性有待提高高频、大功率、耐高温和抗辐射器件[2]GeSi工艺在射频的应用前景8GHzSiGeHBT的指标已达到3.8×105mW·GHz2,使SiGeHBT的性能与GaAsHBT和InPHBT处于相同的数量级上。【1】GeSi工艺在射频的应用前景发明人年份主要结构性能工艺Erben1995Class-Aamplifier5.7GHz,CE和CB组态1dB压缩点处的最大输出功率分别为18dBm和20dBm。PAE大于30%.[17]SiGeHBTPotyraj1996classCoperationS波段,直流偏置40V,RF输入功率0～60W的条件下,RF输出功率超过230W.[18]SiGeHBTIBM2000Twostageamplifier功率附加效率为40%1.88GHz和3.4V输出功率为30dBm功率增益23dB.[19]SiGeHBTRaghavan2002ThreestagePAwithLTCCintheoutputport2.4GHz输出端带有低温共烧陶瓷(LTCC)滤波器最大输出功率为27.5dBm,最大功率附加效率为47%,功率增益35dB.[20]SiGeHBTCheung2005ThreestagePA21～26GHz差分共基极放大器,最大功率输出时增益为15dB。22GHz时功率为23dBm,PAE为19.75%;24GHz时功率为21dBm,PAE为13%.[21]SiGeHBTGeSi工艺在射频的应用前景发明人年份主要结构性能工艺JonghooPark,PingxiMa2006MOS-HBT-HBT0.1to14GHz,outputpowerof22.8dBmat13dBminputpower,class-Aamplify[16]0.35μmSiGeBiCMOSA.Cidronali,I.Magrini,R.Fagotti,等2007EnvelopetrackingarchitectureDigitalpredistortionalgorithm2.4GHz,19dBmoftotaloutputpowerandEVMof3.4%,averageefficiencyofa16.5%[15]SiGeHBTYanLi,JerryLopez,Po-HsingWu等2011envelope-tracking(ET)CascodePACMOSenvelopemodulatorPAEof33%atPoutof22.3dBmfortheWiMAX64QAMsignalandanoverallPAEof42%atPoutof24.3dBmfortheLTE16QAMsignal(2.4GHz).[14]TSMC0.35umSiGeBiCMOSSewiolo,Weigel2008integratesfourcascodegaincells2-12GHz,14dBm,gainof9dB,gainflatnessof±0.5dB.[22]0.25umSiGeBiCMOS目录•射频功率放大器概述•射频工艺对比•射频功率放大器的结构•参考设计分析•初定方案•参考文献射频功率放大器的主要结构•一个典型的功率放大器结构包括输入匹配网络、晶体管放大电路、阻抗变换网络、直流偏置和输出阻抗匹配网络。[7]负载射频源输出匹配网络直流偏置输入匹配网络放大电路和阻抗变换网络功率放大器放大器的种类及选择[12]射频功率放大器有传统功率放大器(A类、B类、AB类和C类)和开关模式功率放大器(D类、E类和F类等)两种类型。它们具有不同的性能。传统功率放大器具有较高的增益和线性度但效率低，而开关模式功率放大器具有很高的效率和高输出功率，但线性度差。类型AABBCDEF工作模式电流源电流源电流源电流源开关开关开关导通角2ππ~2ππ0~ππππ输出功率中中中小大大大理论效率50%50%~78.5%78.5%78.5%~100%100%100%100%典型效率35%35%~60%60%70%75%80%75%增益高中中低低低低线性度极好好好差差差差漏端电压峰值2Vdc2Vdc2Vdc2Vdc2Vdc3.6Vdc2Vdc放大器的结构[7]•共源共栅结构–提高放大器的电压增益和提高电流源的输出阻抗–良好隔离度使得前后级比较容易实现匹配，并目.减小了密勒效应•差分结构–高的电源噪声抑制和更大的输出摆幅–能够解决衬底耦合的影响，有效的抑制输出信号的偶次谐波，使输出信号的谐波畸变比更好–相同的输出功率下，采用差分结构有更小的电源电压偏置电路的设计[10]•在设计宽带功率放大器时，或工作频率较高时，偏置电路对电路性能影响较大，此时应把偏置电路作为匹配电路的一部分考虑。•偏置网络有两大类型，无源网络和有源网络。–无源网络(即自偏置网络)通常由电阻网络组成，为晶体管提供合适的工作电压和电流。它的主要缺陷是对晶体管的参数变化十分敏感，并且温度稳定性较差。–有源偏置网络能改善静态工作点的稳定性，还能提高良好的温度稳定性，但它也存在一些问题，如增加了电路尺寸、增加了电路排版的难度以及增加了功率消耗。匹配电路设计[7,12]•典型的阻抗匹配网络有L匹配、π形匹配和T形匹配。•其中L匹配，其特点就是结构简单且只有两个自由度L和C。一旦确定了阻抗变换比率和谐振频率，网络的Q值（带宽）也就确定了。•π形匹配网络的一个优点就是不管什么样的寄生电容，只要连接到它，都可以被吸收到网络中，这也导致了兀形匹配网络的普遍应用，因为在很多的实际情况中，占支配地位的寄生元件是电容。•T形匹配，当电源端和负载端的寄生参数主要呈电感性质时，可用T形匹配来把这些寄生参数吸收入网络。匹配电路设计[7,12]•最大功率传输条件：负载阻抗与源阻抗共轭•用Smith圆图法进行阻抗匹配射频功率放大器的主要结构负载射