一種可變增益功率放大器的應用設計

　　采用電路仿真ADS軟件進(jìn)行了原理圖及版圖仿真，研究了增益控制電路在放大器中的位置對性能的影響。最終實(shí)現了在6~9GHz頻率范圍內，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率大于33 dBm,當控制電壓在-1~0 V之間變化時(shí)，放大器的增益在5~40dB之間變化，增益控制范圍達到了35 dB.將功率放大器與增益控制電路制作在同一個(gè)單片集成電路上，面積僅為3.5 mm×2.3 mm,具有靈活易用、集成度高和成本低的特點(diǎn)，可廣泛應用于衛星通信和數字微波通信等領(lǐng)域。

　　甚小口徑終端(verysmall aperture terminal,VSAT)和數字微波通信(也稱(chēng)P2P通信)系統為商用微波無(wú)線(xiàn)信息傳輸系統，具有覆蓋范圍大、集成化程度高、對所有地點(diǎn)提供相同的業(yè)務(wù)種類(lèi)和服容性好、擴容成本低、所需時(shí)間短、通信質(zhì)量好和安裝方便的特點(diǎn)。

　　功率放大器是微波無(wú)線(xiàn)信息傳輸系統的核心元器件，其性能直接影響發(fā)射機的作用半徑、線(xiàn)性特性以及整個(gè)系統的效率，它通常是系統中成本最高的元器件。當代微波無(wú)線(xiàn)信息傳輸系統小型化的趨勢越來(lái)越明顯，這就要求元器件的集成度越來(lái)越高。

　　國外開(kāi)展商用單片功率放大器研究較早，其中日本Eudyna公司的產(chǎn)品性能較佳，占領(lǐng)的市場(chǎng)份額最大，美國Hittite公司和Triquint公司也在近兩年推出了相應的產(chǎn)品。中國在GaAs材料生長(cháng)和器件研制方面也積極開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。

　　由于該功率放大器應用于商用領(lǐng)域，所以對其性能和成本都有較高的要求，本文通過(guò)電路設計，將常規功率放大器的功能進(jìn)行擴展，增加增益控制功能，能夠在實(shí)現系統小型化的同時(shí)，降低成本，同時(shí)，不會(huì )影響功率放大器的輸出功率和效率等相關(guān)指標。

　　本文研制的多功能功率放大器單片集成電路的面積與同樣指標的功率放大器面積一樣，約為8 mm2,傳統室外單元的電壓控制可變衰減器(voltage variable attenuator,VVA)的面積約為1.7 mm2,可見(jiàn)文中的多功能功率放大器將芯片面積節省了17.5%,有利于系統的小型化和成本的降低。

　　1 增益控制電路的設計原理

　　增益控制電路的作用是通過(guò)改變控制電壓，達到改變放大器增益的目的。增益控制電路在放大器中的位置至關(guān)重要，若放置于放大器的末級，會(huì )由于自身的損耗而影響輸出功率，放置于中間，會(huì )使放大器的中間級因無(wú)法將末級推飽和，從而影響效率。通過(guò)以上分析，將增益控制電路放置于放大器的第一級。

　　增益控制電路的原理如圖1所示，由兩個(gè)場(chǎng)效應晶體管(field effect transistor,FET)組成，FET1的漏極與FET2的源極連接在一起，射頻信號從FET1的柵極輸入，從FET2的漏極輸出。圖1中：Vc為控制電壓;Vgs為柵壓;Vdd為漏壓;V1表示兩個(gè)FET連接點(diǎn)的電壓;Ids為FET1和FET2的漏極到源極的電流，圖1中FET1的源極和FET2的漏極連接于同一節點(diǎn)，所以Ids同時(shí)流經(jīng)FET1和FET2.該電路通過(guò)改變Vc的電壓值來(lái)改變增益。

　　圖1 增益控制電路拓撲圖

　　FET工作在飽和區時(shí)的跨導gm,Ids與Vgs的關(guān)系如圖2所示。FET1的柵壓Vgs保持不變，則源漏電阻值的變化不會(huì )很大，在工作點(diǎn)的阻抗約為10Ω，由歐姆定律可知，V1的電壓值由Ids決定。FET2的漏壓Vds保持不變，Vc變化時(shí)，FET2的柵壓相應變化，由圖2的曲線(xiàn)可以看出，當柵壓變化時(shí)，gm會(huì )產(chǎn)生變化，FET2的放大倍數則相應改變。同時(shí)，FET2的柵壓變化時(shí)，根據圖3,Ids會(huì )有較大的變化。根據之前的分析，Ids變化時(shí)，V1的值也會(huì )相應產(chǎn)生較大的變化，當V1小于1V時(shí)，FET1工作在圖3中的線(xiàn)性區，增益受漏壓影響較大，所以當V1變化時(shí)，FET1的放大倍數也會(huì )相應變化。這樣，FET1和FET2的增益都受Vc的控制，其共同的增益變化量成為功率放大器的增益變化范圍。

　　圖2 gm,Ids與Vgs的關(guān)系曲線(xiàn)

　　圖3 Vds,Vgs與Ids的關(guān)系曲線(xiàn)

　　2 功率放大器的設計原理

　　本文選用中國電子科技集團公司第十三研究所GaAs PHEMT 工藝線(xiàn)的模型進(jìn)行功率放大器的設計，GaAs PHEMT 場(chǎng)效應管總柵寬1mm的輸出功率為0.6 W,若需要輸出33 dBm,即2W 功率，末級總柵寬需4mm,使用4個(gè)功率單元，每個(gè)單元總柵寬1 mm.要得到高效率的功率放大器，需要仔細考慮每一級場(chǎng)效應管的總柵寬比，可以達到最大效率。

　　根據設計目標確定相應的電路拓撲結構，拓撲結構的選擇決定著(zhù)整個(gè)電路的性能，對有源器件進(jìn)行負載牽引，找出有源器件能夠輸出最大功率時(shí)的輸入和輸出阻抗在阻抗圓圖上的位置。本文所用1 mm柵寬模型如圖4 所示，圖4(a)為模型版圖形，用于進(jìn)行器件建模，圖4(b)為通過(guò)測量參數擬合的大信號模型。輸出匹配網(wǎng)絡(luò )的設計著(zhù)眼于最大的功率輸出，拓撲結構如圖5所示。