可變增益的功率放大器單片微波集成電路

3 CAD設計仿真與測試結果

按照圖1和圖5的拓撲結構，使用ADS仿真工具結合GaAs PHEMT工藝模型，對電路進(jìn)行設計和優(yōu)化。

利用ADS對功率放大器單片集成電路的無(wú)源元件進(jìn)行結構設計和優(yōu)化，調整電容、帶線(xiàn)等匹配元件的尺寸，對電路的工作頻帶、增益、駐波、輸出功率和效率等參數進(jìn)行優(yōu)化，利用ADS中 的諧波平衡仿真軟件進(jìn)行大信號仿真，并對版圖進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真。ADS仿真包括原理圖仿真和版圖仿真，在原理圖仿真中，取得電路各個(gè)元件的初值，并按照設計 目標進(jìn)行優(yōu)化，但是原理圖仿真只考慮了有源器件、金屬帶線(xiàn)等器件的獨立測試模型，并未考慮版圖中器件之間的相互耦合，得到的元件值與實(shí)際情況是有差距的。 為了精簡(jiǎn)單片集成電路面積，器件間距接近單倍線(xiàn)距，必須考慮線(xiàn)間耦合對放大器性能的影響，因此，使用2.5D版圖仿真工具M(jìn)OMENTUM，采用矩量法對 電路的線(xiàn)間耦合及層間耦合進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真。

圖6 功率放大器的仿真及測試結果

圖6中的虛線(xiàn)是經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后的放大器版圖電磁場(chǎng)仿真結果，實(shí)線(xiàn)為測試結果。由圖中可知增益控制范圍為35 dB，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率P_{o(1 dB)}在頻帶內都大于33 dBm，功率附加效率ηPAE大于30%。本文設計的帶增益控制功能的功率放大器單片集成電路采用GaAs工藝進(jìn)行流片驗證，并進(jìn)行載體測試，單片集成電路的安裝采用裝架和鍵合工藝，安裝完成的載體如圖7所示。分析仿真和實(shí)測結果，增益變化曲線(xiàn)在V_c為0，－0.2，－0.4和－0.6V吻合得較好，在V_c為 －0.8V和－1V時(shí)有一定的偏差，實(shí)測的增益比仿真要低2～4dB，原因可能是當FET的柵壓偏置在－0.8V和－1V時(shí)，比較接近夾斷區，模型跨導的 擬合準確性較差，實(shí)際該偏置下的跨導比模型的擬合值要低。1dB壓縮點(diǎn)輸出功率和功率附加效率的實(shí)測曲線(xiàn)和仿真曲線(xiàn)吻合得較好，該兩項指標都是在V_c=－0.6V時(shí)進(jìn)行測試的，此時(shí)放大器工作在飽和區，模型擬合值在該區域比較接近實(shí)際值，所以該兩項指標與仿真結果吻合得較好。

圖7 載體安裝完成圖

4 結論

在帶增益控制功能的單片集成電路功率放大器設計中，本文分析了增益控制電路原理、增益控制對功率放大器指標的影響;使用電磁場(chǎng)仿真工具，在保證電路性能基礎 上精簡(jiǎn)版圖面積，極大地降低了單片集成電路成本;通過(guò)流片和測試，驗證了單片集成電路設計方法和思路的正確性和可行性;在不增加功率放大器單片集成電路面 積和降低性能的情況下加入了增益控制功能，降低了成本，在衛星通信和數字微波通信等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。