0.1～4 GHz达林顿－共射共基结构的增益模块❋

丁华锋，严维敏，王钟，胡善文，高怀

0.1～4 GHz达林顿－共射共基结构的增益模块❋

丁华锋1，严维敏2，王钟3，胡善文4，高怀4

（1.东南大学苏州研究院高频高功率器件与集成技术研究中心，江苏苏州215123；2.苏州大学应用技术学院机电工程系，江苏苏州215325；3.南京大学电子科学与工程系声学研究所，南京210093；4.东南大学国家ASIC系统工程技术研究中心，南京210096）

提出了一种新型电路拓扑结构的增益模块，该增益模块为达林顿－共射共基结构，对其工作原理进行了分析。基于AWR Microwave Office软件的仿真结果表明：达林顿晶体管共射放大电路具有较强的电流放大能力，能有效提高增益；共基放大电路能抑制电路密勒效应，改善电路高频响应。设计了增益模块的版图，用2μm InGaP／GaAs HBT工艺成功流片，测试结果表明：在0.1～4 GHz频率范围内，该增益模块最大增益为25 dB，最小增益大于13.5 dB，在900 MHz工作频率时，该增益模块的P1dB为20 dBm。

发射机；达林顿结构；共射共基；负反馈；放大器；增益模块

1 引言

增益模块是无线通信收发系统的重要组成部分，其性能优劣对整个发射机系统性能来说有重大影响。随着第三代移动通信技术的迅猛发展，提高增益模块的增益已成为无线通信中一个极为重要的课题，也是近年来国内外研究的一个重点和热点。目前，增益模块有两种常用的电路结构：达林顿结构、共射共基结构。达林顿结构的增益模块采用达林顿晶体管代替单管组成共射级负反馈放大器形式，利用达林顿晶体管电流放大倍数大的特点，易获得高增益，但是密勒效应使其高频特性不理想。共射共基结构的增益模块采用共射共基负反馈放大器形式，能有效改善电路的高频特性，但是由于电流放大能力有限，导致增益偏小。

本文采用达林顿－共射共基的复合结构来设计增益模块。电路的前级采用达林顿晶体管构成共射放大电路，来获得较大的电流放大与电压放大；在共射放大电路后面再接上共基放大电路，又获得共基放大电路较好的高频特性。因此，该增益模块具有增益高且高频特性好的优点。

2 增益模块的传统结构

常用的单级放大电路有共发射极、共基极、共集电极3种结构。在实际应用中，为进一步改善放大电路的性能，以基本的单极放大电路为基础，派生出了达林顿、共射共基电路结构，如图1所示［1］。

达林顿晶体管也称为复合晶体管，可采用两种类型相同（或相异）的晶体管构成，复合以后的类型取决于第一个晶体管的类型［1］。达林顿晶体管可代替单管组成共发射极、共集电极、共基极组态的放大器。由图1（a）可得出其等效参数。

电流放大系数：

基极－发射极电阻：

式中，β1、β2分别为晶体管Q1、Q2的电流放大系数，rbe1、rbe2分别为晶体管Q1、Q2的基极－发射极电阻。

由式（1）可知，达林顿晶体管的等效电流放大系数约为两晶体管电流放大系数之积，相比普通的共射极放大电路，能显著提高电流放大能力。同时，由式（2）可知达林顿晶体管的输入电阻增大了约（1＋ β1）倍。由于达林顿晶体管等效电流放大系数大、等效输入阻抗高，因此常用于增益模块的设计。Q1发射极可接一个定值电阻Re1，用于调整晶体管Q2的静态工作点，该发射极电阻也可采用电流源代替。一个典型的达林顿结构的增益模块电路结构如图2所示［2］。

共发射极放大电路同时具备电流与电压放大能力，且输入电阻适中、输出电阻较大、频带较窄，常用于低频电压放大电路［1］。共基极放大电路只能放大电压不能放大电流，但在3种基本放大电路中具有最好的频响特性［1］。

共发射极放大电路与共基极放大电路级联后，可构成共射共基电路结构，极大地降低了集电结电容Cbc的密勒效应对带宽的影响。因此，其频率响应特性优于共射极放大电路，可用于扩展带宽。共射共基电路结构既保持了共发射极放大电路电压放大能力强的特性，又具有共基极放大电路频带宽的优点，较适用于增益模块的设计。一个典型的共射共基结构的增益模块电路如图3所示［3］。

3 达林顿－共射共基增益模块

常见增益模块的增益一般都在15 dB左右［2～5］，本文提出了一种新型的宽带增益模块，其小信号增益最高可达25 dB，在0.1～4 GHz工作频率范围内保持在13.5 dB以上。该新型放大器结构如图4所示，其中Q1发射极的输出电流用于驱动Q2基极，构成了达林顿结构。此外，Q2与Q3构成共射共基输出级，将信号放大后输出到负载，因此整个电路采用了达林顿与共射共基复合结构，同时具备了两种电路结构的优点。

通过调整图4所示的电阻Rb1与Rb2，可使该电路的输入输出阻抗均接近于50Ω，可适用于宽带应用。此外，无需增加额外的匹配电路，可减小由匹配电路带来的带宽与增益损失。在高增益运用时，可采用多组直接级联，使用较为简单。

电阻Re为晶体管Q1的发射极跟随电阻，具有负反馈作用，提高了Q1静态工作点的稳定性。同时，该结构减小了晶体管Q1的Miller电容对电路带宽的影响，从而改善了电路的高频性能。

4 仿真分析

本设计采用宏捷科技（AWSC）发射结面积为2μm×20μm的InGaP／GaAs HBT工艺，并基于AWR Microwave Office软件对该增益模块电路进行了仿真。该放大器采用7 V电源偏置，工作在A类状态，其仿真结果如图5和图6所示。

该增益模块的小信号S参数仿真曲线如图5所示。由图可知，该增益模块在0.1～4 GHz的工作带宽内，小信号增益S21最高可达27.4 dB，900 MHz工作频率时的增益为26 dB，并在整个带宽范围内保持13 dB以上；输入反射系数S11保持在－10 dB以下；输出反射系数S22保持在－7 dB以下。实际使用时，可根据具体频段的应用，调整片外电容Cin、Cout及电感L，使该增益模块能够适用于0.1～4 GHz范围内的各种应用频段。

该增益模块在900 MHz工作频率处增益（PGain）、输出功率（Pcomp）、功率附加效率（PAE）随输入功率变化的特性曲线如图6所示。从图中可以看出，该增益模块在900 MHz频率处的P1dB为21.5 dBm，对应的PAE为38%。

5 测试验证

本设计基于2μm InGaP／GaAs HBT工艺成功流片，该工艺晶体管电流增益β＝80，特征频率fT＝29.5 GHz，单位功率增益频率fMAX＝42 GHz。芯片照片如图7所示，面积为0.5 mm×0.53 mm。

测量时，该增益模块芯片贴装在测试基板（PCB板）上，用K连接器连接增益模块的输入输出信号，采用7 V电源偏置，测试结果如图8所示。由图可知，该增益模块在0.1～4 GHz工作频率范围内，S21保持13.5 dB以上，S11保持在－10 dB以下，S22保持在－7 dB以下。

在900 MHz的工作频率下，测得该增益模块的功率增益PGain、输出功率Pcomp随输入功率的变化曲线如图9所示。由图可知，该增益模块的P1dB为20 dBm，与图6仿真结果约降低1.5 dBm，趋势完全吻合。

该增益模块的P1dB随频率变化曲线如图10所示。由图可知，该增益模块在0.1～1.5 GHz时P1dB约为20 dBm，在4 GHz频率点P1dB约为11 dBm。

表1将本设计与市场上现有同类产品作了简单的比较。从表中可以看出，本文设计的增益模块其增益与输出功率都具有明显优势。

6 结论

本文以传统的增益模块电路结构为基础，以在不显著损害其它性能条件下提高增益模块的增益为目标，提出了一种适用于增益模块的新型电路结构。该结构采用达林顿－共射共基复合结构，保持了达林顿共射放大电路电流电压放大系数大的特点，实现了较高的增益。利用该结构中共基放大电路减小密勒电容的作用，获得了较好的高频特性，提高了电路的频率适用范围。

［1］Paul R Gray，Paul J Hurst，Stephen H Lewis，et al.Analysis and Design of Analog Integrated Circuits［M］.4th ed.Beijing：Higher Education Press，2003：202－208，174－183.

［2］Peter J Topham，Adrian P Long，Peter H Saul，et al.A Broad－Band Amplifier Using GaAs／GaAlAs Heterojunction Bipolar Transistors［J］.IEEE Journal of Solid－State Circuits，1989，24（3）：686－689.

［3］Mark Rodwell，Jensen J F，Stanchina W E，et al.33 GHz Monolithic Cascode AlInAs／GaInAs Heterojunction Bipolar Transistor Feedback Amplifier［J］.Journal of Solid－State Circuits，1991，26（10）：1378－1382.

［4］Heng－Tung Hsu，Chia－Yuan Chang，Edward Yi Chang，et al.High Performance InAs－Channel HEMT for Low Voltage Milimeter Wave Applications［C］／／Proceedings of Asia－Pacific Microwave Conference.Bangkok：［s.n.］，2007：1－4.

［5］Mohd Fairuz Zakaria，Burhanuddin Yeop Majlis.1－3 GHz MMIC Amplifier Design for Transmit／Receive Applications［C］／／Proceedings of IEEE International Conference on Semiconductor Electronics.Malaysia：IEEE，2000：113－115.

DING Hua－feng was born in Jingmen，Hubei Province，in 1986.He is now a graduate student at Southeast University.His research direction is MMIC design.

Email：zixuan19861002＠126.com

严维敏（1961－），男，江苏苏州人，苏州大学应用技术学院机电系讲师，主要从事半导体器件方面的研究；

YAN Wei－min was born in Suzhou，Jiangsu Province，in 1961.He is now a lecturer at Soochow University.His research concerns semiconductor devices.

王钟（1985－），男，浙江绍兴人，博士研究生，主要研究方向为单片微波集成电路设计；

WANG Zhong was born in Shaoxing，Zhejiang Province，in 1985.He is currently working toward the Ph.D.degree at Nanjing University.His research direction is MMIC design.

胡善文（1985－），男，安徽安庆人，博士研究生，主要研究方向为单片微波集成电路设计；

HU Shan－wen was born in Anqing，Anhui Province，in 1985.He is currently working toward the Ph.D.degree at Southeast University.His research direction is MMIC design.

高怀（1961－），男，江苏苏州人，东南大学博士生导师，IEEE高级会员，研究方向为高频高功率器件及单片微波集成电路设计。

GAO Huai was born in Suzhou，Jiangsu Province，in 1961. He is now an IEEE senior member and also the Ph.D supervisor at Southeast University.His research interests include the high frequency and high power devices and MMIC design.

A 0.1～4 GHz Darlington-Cascode Broadband Gain Block

DING Hua-feng1，YAN Wei-min2，WANG Zhong3，HU Shan-wen4，GAO Huai4
（1.High Frequency＆High Power Device and Integrated Technology Research Center，Research Institute of Southeast University at Suzhou，Suzhou 215123，China；2.Department of Mechanical＆Electrical Engineering，Applied Technical College of Soochow University，Suzhou 215325，China；3.Institution of Acoustics，Department of Electronic Science and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210093，China；4.National ASIC System Engineering Research Center，Southeast University，Nanjing 210096，China）

A novel Darlington-Cascode structure gain block is designed and its operation principle is analysed.The simulation results based on AWR Microwave Office show that this structure can achieve a gain expansion for its strong ability of amplifing current，and it can improve the high frequency response with an effective suppression of Miller effect.A gain block with this Darlington-Cascode structure is designed and fabricated based on 2μm In-GaP／GaAs HBT technology.The measurement results show that over 0.1～4 GHz，its power gain can reach up to 25 dB and the minimum power gain is more than 13.5 dB.At 900 MHz operation frequency，its P1dBis 20 dBm.

transmitter；Darlington structure；cascode；negative feedback；amplifier；gain block

TN721.1

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2010.11.017

丁华锋（1986－），男，湖北荆门人，硕士研究生，主要研究方向为单片微波集成电路设计；

1001－893X（2010）11－0080－05

2010－07－15；

2010－09－17