引言 无线通讯系统中,射频功率放大器(Power Amplifiers,PA)是影响手持移动终端电池续航时间的重要原因之一,尤其是LTE-A移动通信网络对功放的线性度和效率提出了更高的要求。LTE-A是LTE-Advanced的简称,是LTE的演进。LTE-A协议采用正交频分复用(OFDM)技术,频谱效率高,峰值平均功率(PAPR)比较大。例如LTE-A QPSK调制信号,带宽为10 MHz,资源块(Resources Block)数为12 RB时,其信号PAPR可达7 dB以上[1]。由于LTE-A系统信号的高PAPR,功率放大器主要工作在远离最高线性输出功率的功率回退区域,从而导致功放的平均效率降低,大大降低了移动终端的运用时长。 现在,已有很多关于功放平均效率改善技术的研究。具有代表性的技术如包络消除与恢复技术(EER)[2]和包络跟踪技术(ET)[3],均通过附加的电源电压调制模块根据信号包络调节不一样输入信号下电源电压大小,以此提升功放的平均效率;但是其附加的控制电路增加了芯片的尺寸,增加了功放的复杂度和成本。 因此,本文介绍了一种带有高功率模式(High Power Mode,HPM)和低功率模式(Low Power Mode,LPM)两种功率模式的功率放大器来提升功率放大器在低功率输出区域的效率。两种功率模式分别规划相应的线性功率放大器,并通过开关切换实现模式切换。开关采用简单实用的pHEMT工艺规划,且该开关工艺可以与InGaP/GaAs HBT工艺在同一个晶圆上实现。所以,通过这两种工艺的使用可将双功率模式功放单芯片实现,减小功放的尺寸。另外,为了简化射频前端,还将采用宽带化规划。 1 功放的规划与分析 基于以上的规划考虑,一个电源电压为3.4 V,工作在2.3~2.69 GHz范围内的双功率模式宽带功率放大器原理图如图1所示。图1所示功放原理图,其中阴影部分为单芯片集成(MMIC)部分,只有输出匹配和电源供给通过片外实现,控制电路和偏置电路也与功放集成在同一个芯片(die)上。 1.1 高和低功率功放规划 功放的HPM链路通过一个三级功放实现,如图1所示。其中功放第一级要为后级提供足够的驱动,规划时使第一级偏置在A类以提升整个功率放大器的线性度及提供高增益,由于第一级输出功率较小,发射极面积大小为300 μm2;功放第二级为功放驱动级,主要使输出级能获得足够的功率输出,输出级偏置于浅AB类,驱动输出该级发射极面积大小为840 μm2;第三级主要起功率放大的作用,偏置在深AB类工作状态以提升功放效率,由于工作电流大,其发射极面积大小为4 500 μm2。为了实现宽带,功放的第一级和第二级都使用了RC负反馈网络,该负反馈网络可以增加功放的增益平坦度,并一定程度降低功放管的非线性影响。另外,二三级之间采用了两级LC的宽带高效匹配结构。 功放的LPM链路通过一个二级功放实现,如图1所示。其中功放第一级要提供增益和为后级提供足够的驱动,规划时使第一级偏置在AB类,发射极面积大小为300 μm2;第二级主要起功率放大的作用,其偏置在深AB类工作状态以提升功放效率,其发射极面积大小为540 μm2。为了增加带宽,功放的第一级使用了RC负反馈网络。 功放的HPM输出匹配网络采用了两级LC串联匹配网络提升输出匹配网络的带宽;另外,为了能在较宽的频率范围内获得较高谐波抑制,提升功放的效率和线性度,在功放输出的集电极添加了两个并联的谐波抑制网络。LPM的目标是工作在功放线性回退区,例如功率回退10 dB。两种模式分别设置最优阻抗,因此在功率回退的时候能提升功放效率。 1.2 控制电路规划 图1中所示控制电路包括:电压基准电路、逻辑控制电路和功放偏置电压控制电路。 电压基准电路如图2所示,通过该电路可为功放的偏置电路提供偏置电压Vreg。该基准电路为一个简单的镜像电路,通过晶体管Q6、Q7和电阻R可为偏置电路提供基准电压Vreg;该电路可通过使能端Ven的电位高与低来控制基准电路的工作与关闭;当基准电路关闭也意味着整个功放处于关闭状态。 本文规划的双功率模式宽带功率放大器运用Win Semiconductors公司的InGaP/GaAs HBT和AlGaAs/InGaAs(D-Mode)pHEMT工艺进行了成功流片。如图4所示为流片之后的MMIC芯片照片,芯片die的尺寸大小为750 μm×950 μm。该芯片与基板粘合在一起后,最终制作完成的功放芯片的大小为3 mm×3 mm。 3 功率放大器测验结果与分析 为了对芯片性能进行测验,将通过FR_4板材的PCB测验板搭载该芯片进行性能测验。功率放大器的工作电压为3.4 V,运用安捷伦的网络分析仪E5071C测得功率放大器HPM和LPM的小信号S参数S11和S21如图5所示。HPM时,静态电流大小为87 mA,其中从第一级到第三级静态电流分别为15 mA、26 mA和48 mA;在2.3~2.69 GHz频段范围内S21超过了29 dB;参数S11在频率2.3~2.69 GHz之间也全都低于-10 dB。LPM时,静态电流大小为20 mA,其中从第一级和第二级静态电流分别为8 mA和12 mA;在2.3~2.69 GHz频段范围内S21超过了17 dB,在2.5 GHz处S21达到最高值20 dB;参数S11在频率2.3~2.69 GHz之间也全都低于-8 dB。以上说明小信号参数良好,在高功率模式下实现了小信号的宽频带。 图7为功放工作在HPM和LPM时的功率附加效率(PAE)图。从图中可知,在HPM时,功放的最高效率在频带内都达到了30%,其中在2.5 GHz处的最佳效率达到38%;在LPM时,功放的最高效率在频带内都达到了12%;其中在输出功率为10 dBm时,LPM相对于HPM效率提升至少6%;由此可知,双功率模式功放可以有效提升功放在功率回退区域的效率。 图8为功放工作在HPM和LPM时的线性度(E-UTRAACLR1)图。从图中可知,在HPM时,输出28 dBm时,频带内线性度E-UTRAACLR1全低于-35 dBc,可知在HPM时满足4G系统的线性指标E-UTRAACLR1必须小于-30 dBc的要求。在LPM时,输出12.5 dBm时,频带内线性度E-UTRAACLR1全都低于-35 dBc,可知在功率回退到12.5 dBm以下时功放可切换为LPM。 图9为功放工作在HPM和LPM时的线性度(UTRAACLR1)图。从图中可知,在HPM时,输出28 dBm时,频带内线性度UTRAACLR1全都低于-36 dBc,可知在HPM时满足4G系统的线性指标UTRAACLR1必须小于-33 dBc的要求。在LPM时,输出12.5 dBm时,频带内线性度UTRAACLR1全都低于-36 dBc。 表1为本文所规划功放的HPM与同类型功率放大器研究与产品的主要性能对比。由表对比可知本章所规划功放在达到宽带的同时,功放还获得了较高的线性度和效率。此外,对比文献[6]中国际大厂商Avago Technologies的产品,本章所规划功放性能已经达到产品级,只是相比单频带使用功放效率稍低,有很显著的实用价值。 4 结论 基于InGaP/GaAs HBT和AlGaAs/InGaAs(D-Mode)pHEMT工艺,规划了一种使用于LTE-A的宽带功率放大器,封装芯片大小为3 mm×3 mm,并利用双功率模式改善功放功率回退区域的效率。芯片测验结果表明,该芯片同时满足4G移动通信系统频段Band 38、Band 40、Band 41和Band 7的使用;功放的双功率模式也能有效地提升功放在功率回退区域的效率;此外,本文实现的射频功率放大器结构简单,集成度高,能有效简化射频前端使用。 |
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