优化偏置点的SiGe功率放大器设计*

2015-02-28郝明丽陈延湖

电子器件 2015年6期

孙凯，郝明丽，陈延湖

（1.山东大学信息科学与工程学院，济南 250100；2.中国科学院微电子研究所，北京 100029）

近年来，随着智能手机、平板电脑和可穿戴设备的普及，市场对应用于无线局域网（WLAN）的无线通信模块的需求也越来越大。由于这些设备对体积有着严格的要求，高集成度的单芯片无线通信模块是最佳的选择。目前，无线通信模块中的低噪声放大器、混频器、锁相环等大部分组件都可以使用低成本的体硅CMOS工艺实现。但是，传统体硅CMOS工艺中MOS管击穿电压较低，在设计大功率的功率放大器时存在困难［1］。SiGe BiCMOS工艺是一种与体硅CMOS相兼容的工艺，不但具有体硅CMOS工艺高集成度和低成本的优势，而且提供异质结双极型晶体管（HBT）。SiGe HBT的高频特性良好，耐压更高，是设计功率放大器的优异器件［2］。因此，使用SiGe BiCMOS工艺设计功率放大器，进一步地实现无线通信系统的单芯片集成，一直是研究的热点。

目前，SiGe BiCMOS工艺在国外已经比较成熟，并且实现商业化，但国内还处于研究阶段。本文基于上海华虹宏力半导体制造有限公司最新开发的0.18 μm SiGe BiCMOS工艺，设计了应用于WLAN 2.4 GHz频段的高输出功率线性功率放大器。

1 工艺说明和器件选择

通常，SiGe HBT的击穿电压和特征频率之间存在折中关系［3］。本文使用的华虹宏力0.18 μm SiGe BiCMOS工艺就针对不同设计需求，提供了标准管、高速管和高压管。表1列举了几种不同类型HBT的击穿电压和特征频率fT的典型值。本文采用了其中的高压管，基极悬空时的击穿电压BVCEO为7.1 V，特征频率fT为24 GHz，满足3.3 V电源电压，2.4 GHz功率放大器的设计要求。该工艺还提供了硅通孔（TSV），硅通孔技术可以极大的减小接地引线寄生阻抗，非常有利于射频电路的设计［4］。该工艺的金属层有三层，材质为铝，其中顶层金属厚度为2.92 μm，较厚的金属层可以减小射频传输损耗。

表1 SiGe HBT器件参数

1.1 晶体管尺寸的选取

设计功率放大器的第1步是确定电路每1级晶体管的尺寸。为了在较低的电源电压下输出一定的功率，晶体管必须有足够的电流输出能力。确定晶体管尺寸和电流输出能力之间的关系至关重要。对于HBT器件来说，在大电流下主要受到Kirk效应的影响。Kirk效应使晶体管在大电流下电流增益下降，特征频率降低，高频性能变差。因此，产生Kirk效应时的电流通常会作为晶体管工作时的最大直流电流［5］。

图1是工艺厂商提供的一个发射极指长9.9 μm，指宽0.6 μm的4指高压HBT共发射极电流增益随集电极电流变化的曲线。由于工艺厂商提供的器件模型是Gummel-Poon模型，对大信号时器件的模拟不够精确，所以可以看到在大电流下仿真结果和测试结果出现较大偏差。由图可知，当集电极电流大约为2 mA时，共发射极电流增益开始下降，出现了Kirk效应。此时，发射结上的电流密度约为0.084 mA/μm2。对于设计输出功率为23 dBm（200 mW）的功率放大器，采用A类放大方式近似计算，可得集电极直流电流

图1 共发射极电流增益随集电极电流变化曲线

其中，VCC表示电源电压，在本设计中为3.3 V。按0.084 mA/μm2电流密度可算出发射极面积为1 440 μm2，为留有余量，将面积定为2 000 μm2。

本设计采用了3级放大结构，前、后级之间晶体管面积按1∶4分配，以保证前级对后级有足够的驱动能力。最终确定的晶体管尺寸为：单个晶体管为4指结构，发射极每指指长为13 μm，宽为0.6 μm；第1级采用4个晶体管并联，发射极总面积为125 μm2；第2级采用16个晶体管并联，发射极总面积为500 μm2；输出级采用64个晶体管并联，发射极面积为2 000 μm2。

1.2 稳定性考虑

HBT功率放大电路在工作中面临两个稳定性问题：电稳定性和热稳定性［6］。电稳定性是指电路在某些偏置和终端条件下存在自激振荡的可能。热稳定性是多管并联晶体管因为自热效应产生的电流增益坍塌现象。当多管并联工作时，每一个晶体管都是一个热源，中心的晶体管温度高，边缘处的晶体管温度低。由于温度高的晶体管导通电压低，相同基极电压下流过的电流多，温度就会更高，形成了热电正反馈。这种热电正反馈最终造成电流增益的下降［5］。

图2 基极串联电阻的HBT

为解决电稳定性和热稳定性问题，在每一个晶体管基极串联了一个镇流电阻，如图2所示。对于电稳定性，晶体管基极的串联电阻削弱了从集电极反馈到基极的信号，因此避免了振荡的产生，提高了稳定性。对于热稳定性，假设基极串联电阻为RB，基射结电压为Vbe，j，则串联电阻和基射结总电压

若温度升高，使IC变大，则在基极串联电阻RB上的压降增加，减小了晶体管发射结电压Vbe，j，从而抑制了IC上升的趋势，增加了热稳定性。

由于基极串联电阻会降低增益，选用的电阻值不能过大。一般以能保证1 GHz以上频段电学绝对稳定为宜。基于工艺库器件特性，在本设计中，每个晶体管基极串联电阻为42 Ω。

2 电路设计

由于工艺厂商提供TSV，接地阻抗可以做到非常小，本设计采用了单端放大电路。为了具有足够的增益，电路采用3级放大结构。电路结构如图3所示。芯片内部集成输入匹配、级间匹配和偏置电路。将输出匹配电路置于片外，增加设计的灵活性，同时避免片上低Q值电感的使用，可以提高效率和输出功率。

图3 2.4 GHz功率放大器电路图

2.1 匹配电路设计

功率放大器电路设计中，匹配电路是最关键的部分之一。匹配电路的设计关系到功率放大器的增益、输出功率和效率等指标的好坏。设计匹配电路需要先确定每一级晶体管输入端和输出端的匹配阻抗。本文采用如下方案确定各级晶体管的匹配阻抗：

（1）通过负载牵引（Load-Pull）仿真得到输出级的最佳功率匹配阻抗，输出端匹配至此阻抗后，在输入端做大信号S参数仿真（LSSP），得到输出级输入端匹配阻抗［7］；

（2）同样地，对第2级晶体管做Load-Pull仿真，得到第2级晶体管的最佳功率匹配阻抗，输出端匹配至此阻抗，然后在输入端做LSSP仿真，得到第2级输入端匹配阻抗；

（3）对第1级晶体管做双端口S参数仿真，得到第1级晶体管输入输出双共轭匹配阻抗。

确定阻抗之后，需要采用实际电路实现匹配。输入匹配电路采用了L形L-C结构电路。图3中电容C1既起到匹配的作用，又能起到隔直的作用。由于输入匹配对输出功率和效率的影响较小，匹配电感和电容全部采用片上元件实现，电感L1通过TSV形式接地。

1级、2级和2级、3级之间的级间匹配采用T形C-L-C结构。C-L-C结构的优势是电感L设计的灵活性，在本设计中匹配电路电感并没有通过TSV直接接地，而是通过键合线接地。如前文所述，工艺厂商提供的器件模型是Gummel-Poon模型，对大信号的仿真并不足够准确，因此Load-Pull仿真得到的阻抗也可能并不准确。通过接地键合线接地，给芯片留有调试的余地。由于键合线电感参与了匹配，因此它的建模仿真非常重要。

接地键合线的结构如图4所示。H1表示芯片厚度，本文使用的工艺芯片厚度为100 μm，H2是键合线弧高，典型值50 μm，L是弧长，典型值200 μm～500 μm，所用键合线直径为25.4 μm，材质为金。

图4 丝焊工艺键合线示意图和等效电路

键合线等效电路可采用LR串联模型来表示［8］。在 HFSS软件中，对长度为 200 μm～500 μm的键合线进行了仿真，结果如表2所示。在本设计仿真时，采用了200 μm长键合线。

表2 不同长度键合线等效电感、电阻和Q值（2.4 GHz）

2.2 偏置电路

偏置电路给功率放大器提供稳定的偏置电压，传统的分压式偏置电路不适用于功率放大器电路［7］。

图5为采用的偏置电路原理图，Q2、Q3、Q4、C1和R1组成偏置电路，通过Vbias端口控制放大管Q1的静态偏置点。晶体管Q3和Q4以二极管形式上下串联连接，利用了pn结的电压钳位特性，起到电压源的作用，输出电压由Vbias和电阻R1决定。并联电容C1可进一步提高电压的稳定度，保证Q2基极电流变化时也能给Q2基极提供稳定的电压。

图5 偏置电路

Q2的选择至关重要，它直接决定了Q1基极偏置电压在输入功率变化时的稳定度。输入信号功率增加时，由于晶体管的非线性，Q1基极直流电流会增加。Q1基极串有隔直电容，因此Q1基极直流电流全部来源于Q2发射极。又由于Q1基极和Q2发射极电压变化完全相同，所以只有当Q2基极电流电压特性和Q1的发射极电流电压特性一致时才能使电流的变化也相同。故Q2发射结面积A2应满足下式：

其中Je是单位面积发射极电流，A1是Q1发射极面积，β1是Q1共发射极电流增益。

3 芯片测试和偏置点的优化

使用Cadence Virtuoso完成电路版图设计，芯片尺寸为1 400 μm×900 μm，版图照片如图6（a）所示。

测试所用PCB板如图6（b）所示，测试板的板材为Rogers 4003C。测试时，首先对输出匹配电路进行调试，输出匹配电路设计为Line-Shunt Capacitor形式。在3.3 V电源电压和3.3 V偏置电压下，芯片输入端输入功率为-2.5 dBm的2.45 GHz单音信号，在输出端调节并联电容大小和在传输线上的位置，使输出功率达到最大。最终，使用3 pF村田电容，使输出功率达到了23.1 dBm。

图6 WLAN功率放大器版图照片和测试板

晶体管的偏置点对功率放大器的线性度和效率有直接的影响。偏置点的选择应该在满足线性度要求的前提下，最大化功率放大器的输出功率和效率。在不同偏置电压下，使用IEEE 802.11g 54 Mbit/s信号分别测试了误差矢量幅度（EVM）和消耗电流Icc随输出信号平均功率Pout变化的曲线，测试结果如图7所示。

图7 EVM和Icc随输出功率的变化

IEEE 802.11 g/n协议要求54 Mbit/s信号EVM须小于5.6%，由图7可知，在满足EVM协议要求的前提下，偏置电压为3 V时，输出功率最高，为16.6 dBm，同时消耗的电流也最小，为212 mA。由图7还可发现，在低功率处（小于13 dBm），偏置点越高，线性度越好；在高功率处（大于13 dBm），偏置电压高时，线性度迅速恶化，偏置电压低时，线性度会出现一定的改善。这一现象可通过图8功率增益随输出功率变化曲线解释。低功率时，在3 V的偏置电压下，功率增益一直在上升，而偏置为3.3 V和3.6 V的功率增益基本保持不变，所以低功率时较低的偏置电压导致了较高的EVM。到了高功率区，偏置为3.6 V的功率增益迅速下降，因此EVM快速变差，而偏置为3 V的功率增益变化比较平缓，因此在高功率区3 V的偏置电压下，EVM较小。

图8 功率增益随输出功率变化曲线

由以上分析可知，通过对偏置点的优化，可以在满足系统线性度要求的前提下，实现效率和功率的最大化。将偏置电压定为3 V，对仿真结果和测试结果进行了对比。

图9为小信号S参数仿真和测试结果。由图可知，S参数测试结果和仿真结果基本吻合。S11测试值在2.4 GHz～2.5 GHz范围内小于-14 dB，实现了良好的共轭匹配。S21测试值在2.4 GHz～2.5 GHz范围内相比仿真值降低了大约2.5 dB，原因是在仿真时未考虑外部元件和电路板的损耗。

图9 小信号S参数

图10对比了输出功率Pout、增益Gain和功率附加效率PAE的仿真和测试结果。在低输入功率处，扣除掉2.5 dB的增益仿真误差后，测试结果和仿真结果非常接近。测试得到的输出1 dB压缩点为23.6 dBm，效率为18.1%。仿真输出1 dB压缩点为27.1 dBm，与测试结果相差3.5 dB，原因是模型在大信号下还不够精确。

图10 输出功率、增益和PAE随输入功率变化曲线

表3对比了本文的SiGe功率放大器和最近发表的其他文献功率放大器的性能。

表3 本文SiGe功率放大器性能和其他论文对比

4 结论

基于国内开发的0.18 μm SiGe BiCMOS工艺设计了应用于2.4 GHz WLAN的功率放大器。通过优化偏置点，提高了满足线性度要求的线性输出功率和效率。分析了测试与仿真结果的差异及其原因。在优化的偏置电压下测试结果表明，增益为26.6 dB，输出1 dB压缩点可达23.6 dBm。对于IEEE 802.11g 54 Mbit/s信号，EVM为5.6%时，输出功率可达16.6 dBm，显示出良好的线性度，满足2.4 GHz频段WLAN的应用需求。

［1］Niknejad A M，Chowdhury D，Chen J.Design of CMOS Power A mplifiers［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech⁃niques，2012，60（6）：1784-1796.

［2］阮颖，陈磊，田亮，等.基于0.18 μm SiGe BiCMOS工艺的高线性射频功率放大器［J］.微电子学，2010，（4）：469-472,476.

［3］徐世六主编.SiGe微电子技术［M］.北京：国防工业出版社，2007：2-5.

［4］Joseph A，Huang C W，Stamper A，et al.Ultra-Thin Chip Technol⁃ogy and Applications［M］.New York：Springer，2011：445-453.

［5］RaghavanA，SrirattanaN，LaskarJ.ModelingandDesignTechniquesfor RFPowerAmplifiers［M］.Hoboken：JohnWiley&Sons，2008：141-146.

［6］陈延湖，申华军，刘新宇，等.Design Consideration of the Ther⁃mal and Electro Stability of Multi-Finger HBTs Based on Different Device Structures［J］.半导体学报，2010，（10）：28-31.

［7］李文渊，顾洵.5 GHz无线局域网的锗硅异质结晶体管功率放大器［J］.电子器件，2008，（6）：1761-1764，1768.

［8］周永强，王立新，张万荣，等.射频功率晶体管内匹配技术中键合线的建模仿真与参数提取［J］.电子器件，2011，34（4）：363-366.

［9］尤云霞，陈岚，王海永，等.基于SiGe HBT的射频功率放大器［J］.微电子学与计算机，2014，（4）：144-147.

［10］阮颖，陈磊，张先仁.WLAN应用的SiGe功率放大器中功率单元优化设计［J］.半导体技术，2014，（9）：641-645.