2.4 GHz SiGe HBT E类高功率放大器*

尤云霞，陈 岚，王海永，吴玉平，吕志强

(中国科学院微电子研究所，北京100029)

2.4 GHz SiGe HBT E类高功率放大器*

尤云霞，陈 岚*，王海永，吴玉平，吕志强

(中国科学院微电子研究所，北京100029)

针对无线通信飞速发展对高功率和高效率功率放大器的需求，提出了一种Cascode结构的2.4 GHz E类高功率放大器。它采用单端接地和单级放大的电路形式。基于国内新研制的0.18 μm SiGe BiCMOS工艺，实现了片内全集成，包括输入与输出匹配网络，具有结构简单、高集成度等特点。同时，考虑了器件的击穿电压，高电流下的电迁移和高功率的稳定性等问题，并进行了优化设计。结果表明，在10 V电源电压时，放大器的输出功率高达30 dBm，效率PAE为39.69%，最大功率增益达14 dB。

功率放大器;E类;Cascode结构;功率器件

随着第3代移动通信、蓝牙、Wi-Fi与Zigbee等无线通讯的飞速发展，射频收发器要求的性能也越来越高。射频功率放大器是其中的重要模块，它的效率、输出功率能力的大小、线性度和功率增益等特性对整个系统的信号传输与功耗等有重要影响。

传统功率放大器是射频功率放大器的一类，具有功率增益高，线性度好的特点［1］;但是，其相对于开关模式功率放大器而言，它的效率低，功耗大。对于微型化、低功耗移动设备而言，开关模式功率放大器更受到人们的青睐。在实际电路中，E类功率放大器具有相对D类更高的效率和相对F类电路结构更简单的优点［2］。因此，结构简单、适于高频、高效率和大输出功率的E类功率放大器仍然是研究的热点。

射频功率放大器的性能同时受到工艺和电路结构的影响。通常大功率的射频功率放大器多采用GaAs工艺［3-5］，但是成本较高。与GaAs工艺比较，SiGe HBT具有成本低，散热特性好，同时可与CMOS器件兼容并集成于同一衬底上，形成BiCMOS工艺的优势。于是，出现了集成的SiGe功率放大器。但随着工艺尺寸的不断减小，采用SiGe BiCMOS工艺的功率放大器在实现高功率输出时也面临极大的挑战。

本文就是基于国内新研制的 0.18 μm SiGe BiCMOS工艺，设计了一种2.4 GHz E类全集成高功率放大器。首先介绍了工艺概况，然后给出了总体电路设计和各模块化分析，包括Cascode结构、功率器件、输入与输出匹配网络等，再次给出了功率放大器的仿真结果，最后对文章进行了总结。

1 工艺概况

本文采用的国内新研制的0.18 μm SiGe BiCMOS工艺提供4种SiGe HBT，分别是高速管、标准管、高压管和超高压管。其中，高压管和超高压管可用于设计功率放大器，满足输出功率对器件耐受的击穿电压需求。

此外，该工艺还提供电阻，电容和电感，有利于实现在片匹配。

该工艺提供6层金属，可采用顶层金属或者多层金属并联的方法来满足功率放大器大电流情况下对金属电流密度的需求。

2 电路设计

本文设计的单端单级E类功率放大器电路结构如图1所示。

图1 电路结构简化图

电路包括Cascode结构功率放大单元由Q1与Q2组成、输入T型匹配网络C2-L2-C3与输出L型匹配网络C4-L3，滤波网络L1-C1以及两个偏置扼流圈LC1与LC2。VB1与VB2是给定的两个偏置电压，Vcc为电源电压。

2.1 E类Cascode主放大器结构

传统结构E类功率放大器［6］采用共射结构如图2所示。

图2 传统结构E类功率放大器

其中，L1与C1组成串联谐振网络，滤除所有的谐波，只选择目标频率的正弦波信号通过。C0代表开关晶体管Q1的寄生电容和需要附加并联的电容值之和。RL是功率放大器的负载，Po，max代表最大输出功率。各值参考式(1)～式(4):

QL是L1与C1形成的串联谐振网络的品质因数。

该种结构的功率放大器的输出功率受功率器件的击穿电压限制，原则上功率器件的电压摆幅不能超过其BVCEO。于是，为了输出更大的功率，本文采用Cascode结构，如图3所示［2］，它采用共射极和共基极的级联结构。射频信号通过共射晶体管Q1的基极输入，共基极晶体管Q2的集电极输出。

图3 Cascode结构

选择图3结构的原因是:共基极晶体管Q2的集电极-基极最高承受电压VCBB(max)为式(5):

VB是共基极晶体管Q2的基极偏置电压，Vout(max)是最大输出电压值。共射极晶体管Q1的集电极-基极最高可承受电压VCBE(max)为式(6):

其中，VT是晶体管的导通电压，Vin(min)是共射极晶体管Q1的最小输入电压。一般VCBE(max)小于晶体管的击穿电压VCBO，因此，Cascode结构中共基晶体管Q2的击穿电压是限制放大器输出电压摆幅的重要因素。

Cascode结构作为开关模式射频功率放大器的放大单元工作时，理想情况下，当开关管Q1导通时，晶体管Q2的集电极电压为0，当开关管Q1截止时，晶体管Q2的集电极电流为0。实际上，开关管Q1导通与截止时，晶体管Q2的集电极电压与电流的相位不完全正交，Cascode结构的输出导通电阻不为0，故放大器在工作时存在一定的损耗，降低了一部分效率。

本文的功率放大器，由于采用了Cascode结构，器件的电压耐受能力得到了提高，在同等输出功率指标的要求下，提高了输出级电压摆幅，降低了对输出级功率晶体管个数的要求，同时避免了由较多个晶体管组成功率器件的寄生参数对电路性能的影响。

2.2 功率器件的确定

本文根据设定的目标输出功率和电路结构的耐压能力，选取电源电压为10 V，然后初步确定了负载阻抗值和流过Cascode结构中晶体管平均电流的大小。

选取功率器件的尺寸时，需注意每个晶体管分流的大小和最大承受电流能力。金属连线和通孔在高电流下，可能会产生电迁移现象。本文的功率器件在版图设计中采用树形结构，使电流通过金属线均匀流入每个晶体管单元。另外，在晶体管单元的集电极与发射极的每个叉指上分别并联多层金属，以分散每层金属上的电流，减小金属上的电流密度，来避免高电流下的电迁移。

功率器件的尺寸越大，输出功率则越高。同时，器件的输出电阻Ron越小，工作在开关模式的功率放大器的热损耗也越小。但是，器件尺寸的增大，带来的寄生效应(如寄生电容)则越大，导致功率增益会随寄生效应的增大而变小。因此，对于某一个设计目标，功率器件的尺寸要在满足输出功率指标和增益之间进行折中和优化。

最后，本文选取的功率器件由64个超高压晶体管单元组成。功率器件的总发射极面积为506.88 μm2。

稳定性是功率放大器的重要考察因素。一般的二端口网络有潜在不稳定准则和绝对稳定准则［7］。通常，功率器件需要工作在绝对稳定条件下。将功率器件看作二端口网络，绝对稳定条件可以用稳定因子K与Δ或B1描述如式(7)～式(9):

其中，S11与S22分别代表输入与输出反射系数，S21与S12代表正向与反向电压增益。满足K＞1，|Δ|＜1或K＞1，B1＞0时，功率器件处于绝对稳定。

本文中选取的功率器件本身不满足无条件稳定，其中K＜1，B1＞0。在功率器件基极串联小的电阻Rt，如图4所示，可以实现放大器在工作频段内的绝对稳定。但是，稳定因子K越高，功率增益越小。因此，需要选取大小合适的稳定电阻Rt，使得K和功率增益参数在目标工作频段内均满足要求。

图4 加入稳定电阻Rt后的功率器件

如图5所示是加入稳定电阻Rt后，功率器件的最大功率增益Gmax和稳定因子K随频率变化的曲线。稳定电阻Rt阻值为1.48 Ω，由64个并联电阻组成。由图可知，功率器件在频率为2.16 GHz～2.64 GHz时，Gmax从19.07 dB下降为16.35 dB，K值变化范围为1.046～1.276。在工作频率点2.4 GHz时，Gmax为17.49 dB，K值为1.161，器件在该频段范围内K＞1，处于绝对稳定，且功率增益值较高。

图5 加入稳定电阻Rt后的功率器件Gmax与K

2.3 匹配网络

输入匹配采用共轭匹配法，结构为T型网络，由C2-L2-C3组成，具体如图1所示，T型网络可以方便的调节匹配网络的品质因子Q和带宽。适当调节匹配元件参数，可以增大功率放大器的工作频率带宽。

输出匹配采用传统的负载牵引法，匹配网络结构为L型如图1所示，由C4-L3组成。采用L型而非T型或π型网络，目的是为了减少功率放大器在输出匹配网络上因为元件的寄生电阻而引起的损耗。

3 仿真结果

本文上述的功率放大器采用EDA工具进行了仿真。在电源电压为10V的情况下，输出功率Pout与功率附加效率PAE随输入功率Pin变化的曲线如图6所示，放大器的最大输出功率高达30 dBm，效率为39.78%。功率增益Gp的曲线如图7所示，最大功率增益高达14 dB。

表1列出了本文与近期一些基于SiGe BiCMOS工艺的E类功率放大器结果对比。文献［8］与［9］为两级Cascode功率放大器，文献［10］为单级差分Cascode SiGe功率放大器，本文的设计为单端接地，单级Cascode结构功率放大器，具有相对电路简单和输出功率较大的优点。文献［11-13］为共射SiGe功率放大器，与之相比，本文的设计在输出功率、效率和增益等性能方面具有突出优势。因此，本文设计的功率放大器在整体电路性能指标上达到了国内领先水平。

图6 输出功率Pout与功率附加效率PAE随输入功率变化曲线

图7 功率增益Gp随输入功率Pin变化曲线

表1 功率放大器性能比较

4 结论与分析

本文提出了一种基于Cascode结构，工作频率2.4 GHz的E类单端单级全集成的高功率放大器。该电路采用国内新研制的0.18 μm SiGe BiCMOS工艺，片内集成了输入与输出匹配网络。本文通过考虑器件的击穿电压，高电流下的电迁移和高功率的稳定性等问题，选择了电路结构和功率器件，给出了设计和优化过程。其结果显示，在10 V电源电压情况下，该功率放大器输出功率高达30 dBm，效率PAE为39.69%，最大功率增益高达14 dB，达到国内先进水平。

［1］ 贺文伟，李智群，张萌.应用于无线传感器网络的功率放大器的设计［J］.电子器件，2011，34(4):406-410.

［2］ 池保勇，余志平，石秉学.CMOS射频集成电路分析与设计［M］.北京:清华大学出版社，2003:291-365.

［3］ Hirata M，Oka T，Hasegawa M，et al.Fully Integrated GaAs HBT Power Amplifier MMIC with High Linear Output Power for 3 GHz-Band Broadband Wireless Applications［J］.Electronics Letters，2006，42(22):1286-1287.

［4］ Shen C C，Chang H Y，Wang Y C.A Monolithic 3.5 to 6.5 GHz GaAs HBT HEMT/Common Emitter and Common-Gate Stacked Power Amplifier［J］.Microwave and Wireless Components Letters，2012，22(9):474-476.

［5］ Yoon S W，Kim S I.Linearity Enhanced 2.4 GHz WLAN HBT Power Amplifier Using Digitally-Controlled Tunable Output Matching Network with pHEMT Switch in GaAs BiFET Technology［J］.Electronics Letters，2010，46(23):1573-1574.

［6］ Bozanic M，Sinha S，Duplessis M，et al.Design Flow for A SiGe BiCMOS Based Power Amplifier［C］//Semiconductor Conference，2009:311-314.

［7］ Radmanesh M M.射频与微波电子学［M］.顾继慧，李鸣，译.北京:电子工业出版社，2012:251-262.

［8］ SU J，Zhang S，Chen L，et al.A 2.4 GHz High Efficient Monolithic Class E Power Amplifier［C］//Microelectronics and Electronics (PrimeAsia)，Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in，2010:271-274.

［9］ Wu R，Li Y，Lopez J，et al.Design Trade-Offs for Single-Ended vs. Differential Class-E SiGe Bipolar Power Amplifiers with Through Wafer-Vias at 2.4 GHz［C］//IEEE 54th International Midwest Symposium on Circuits and Systems(MWSCAS)，2011:1-4.

［10］Yan L，Ruili W，Jerry L，et al.A Highly Efficient BiCMOS Cascode Class-E Power Amplifier Using Both Envelope-Tracking and Transistor Resizing for LTE Like Applications［C］//Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting(BCTM)，2011:142-145.

［11］Wang F P，Kimball D F，Lie D Y，et al.A Monolithic High-Efficiency 2.4-GHz 20 dBm SiGe BiCMOS Envelope-Tracking OFDM Power Amplifier［J］.Solid-State Circuits，2007，42(6):1271-1281.

［12］ John A，Sullivan O，Kevin G，et al.Investigation into SiGe HBT Class E/F PA Efficiency at 2 GHz for VDD from 1 to 1.8 V［J］. IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2006，16(4): 170-172.

［13］Popp J，Lie D Y C，Wang F P，et al.A Fully Integrated Highly Efficient RF Class E SiGe Power Amplifier with an Envelope-Tracking Technique for EDGE Applications［C］//Radio and IEEE Wireless Symposium，2006:231-234.

尤云霞(1985- )，女，汉族，内蒙古人，研究实习员，工学硕士，主要研究方向为射频功率放大器，yunxia06@163.com;

陈 岚(1968- )，女，研究员，博士生导师，主要研究计算机系统结构与芯片设计技术，chenlan@ime.ac.cn。

2.4 GHz SiGe HBT Class E High Power Amplifier*

YOU Yunxia，CHEN Lan*，WANG Haiyong，WU Yuping，LÜ Zhiqiang

(Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China)

For the needs of high power and high efficiency power amplifier in the rapid development of wireless communication，a 2.4GHz class E high power amplifier was designed，which was based on Cascode configuration.It employed single-ended and one stage amplification circuit format.All the devices including input and output matching networks were integrated on chip which was based on a 0.18 μm SiGe BiCMOS technology newly researched in a domestic foundry.It had advantages of simple structures and high integration.At the same time，it also considered devices’breakdown voltage，electro migration with high current and stability of high power and so on problems to design optimization.Results showed that the power amplifier’s output power could reach up to 30 dBm，PAE to 39. 69%and maximum power gain was 14 dB of power supply 10 V.

power amplifier;class E;cascode configuration;power device

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.014

TN432;TN722.7.5

A

1005－9490(2014)02－0235－05

项目来源:国家科技重大专项课题项目(2009ZX02303-04)

2013-05-29修改日期:2013-06-18

EEACC:1220;2570