一款高三階交調點的GaAs射頻放大器
1 理論分析與電路設計
1.1 電路結構
異質結晶體管 (Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)。在目前主流的砷化镓材料器件中，HBT 因具有很強的電流放大能力，從而被越來越多應用到放大器的設計當中。HBT 的集電極（C）、基極（B）、發射極（E）使用不同材料製成，所以被稱做異質結結構器件。使用了更薄的基極材料HBT 的晶體管禁帶更寬，發射極的注入效率提高，所以使晶體管的截止頻率變大，功率增益更高。晶體管的電流是垂直走向，所以具有很高的電流密度，因為HBT 具備的這些特點，所以本文選擇采用HBT 工藝對放大器進行設計。
達林頓結構是一個將晶體管串接起來的結構。將第1 個晶體管的發射極接到第2 個晶體管的基極，集電極相互連接。這樣的鏈接結構可以提高放大器增益的晶體管結構。
與典型的放大結構相比，達林頓結構的優點有：輸入阻抗高；帶寬較大，成本低；結構簡單不需要複雜匹配，麵積小。
這使得達林頓結構有較強的電流放大能力，較高的功率增益，並且有良好的增益平坦度。利用這個特性我們可以用這個結構來設計高增益高線性度的放大器。所以本文選擇以達林頓結構為基礎，進行調整優化後對此款放大器進行設計。
1.2 電路設計
對於寬帶放大器而言，線性度是一個可以評價性能的重要參數指標。在設計放大器時使用的晶體管是非線性的，當在小信號情況下，晶體管的輸出信號與輸入信號呈現線性的關係，此時可以忽略放大器的非線性。但當輸入信號功率變大或者信號頻率增加的時候，輸出信號的非線性會表現的很明顯。其中主要包括增益降低，諧波失真，交調失真等非線性情況。
1.3 仿真設計
為了提高放大器的線性度，設計時在前文介紹的達林頓結構的基礎上添加了偏置結構。晶體管Q1與電阻R1，R2，R3組成的偏置結構可以穩定電路的直流偏置點，提高電路的線性度。同時可以使得電路在高溫和低溫狀態下的工作性能可以盡量與常溫狀態下保持一致。Q2與Q3，Q4~Q9晶體管組成達林頓結構。因為功率較高第二級晶體管上需要通過較大的電流，所以在設計當中采用了並聯晶體管的方式，降低了每個晶體管上通過的電流，降低可能因為電流過大的產生的熱效應，提高晶體管的耐功率裕度，並且並聯結構可以降低電路的噪聲係數。電阻R6~R13在晶體管的發射極連接到地電位，起到負反饋的作用[5]
2 測試與驗證分析
電路采用SOT89 塑封封裝管殼，應用驗證板如圖4。測試條件為電源電壓VCC=5 V。使用網絡分析儀對電路進行三階交調截止點等參數進行測試，三階交調點測試曲線如圖5。器件的工作頻率為10 MHz~4 GHz。在輸入信號100 MHz ~1 GHz 範圍內，輸出三階交調點超過40 dBm。且能夠保證功率增益達到20 dB，且增益曲線平坦，輸出1 dB 壓縮點達到21 dBm，電路在大功率輸入情況下也擁有較好的線性度。測試結果表明實際測試與仿真結果基本一致，電路實現了高三階交調點。說明本文中采用的以達林頓結構為基礎，添加偏置結構對電路進行優化的方法可行有效。
3 結束語
本文基於達林頓晶體管放大結構設計了一款高增益高三階交調點的射頻放大器。使用2 μm GaAs HBT 工藝流片設計，對晶體管結構進行優化，提高了工作帶寬，利用HBT 晶體管搭建的達林頓結構抑製了三階諧波分量，提高了OIP3 參數，輸出三階交調點40 dBm，提升了電路的線性度。此時功率增益達到20 dB，且增益曲線平坦，輸出1 dB 壓縮點達到21 dBm。電路滿足5G通信使用頻率並具有高增益，高線性度的特點，可用於通信收發鏈路當中，具有很強的應用前景。
參考文獻：
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[3] WEI Y, STAUDINGER J, MILLER M. High efficiency linear GaAs MMIC amplifier for wireless base station and Femto cell applications[C] // 2012 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications. IEEE, 2012: 49-52.
[4] B.RAZAVI. RF Microelectronics, Second Edition[M].北京:機械工業出版社, 2016.
[5] COERS M, BOSCH W. DC to 6.5 GHz highly linear low-noise AlGaN/GaN traveling wave amplifier with diode predistortion[C]//2014 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2014). IEEE, 2014: 1-4.
[6] 梁永明.毫米波低噪聲放大器研究與設計[D].浙江:杭州電子科技大學,2018.
（本文來源於《電子產品世界》雜誌2023年6月期）
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