很实用的双功率模式宽带功率放大器设计
摘 要：针对lte-a移动终端应用，采用双功率模式架构设计了一款宽带功率放大器，利用功放工作模式的切换，改善了功放回退区域的效率。该功放还采用了ingap/gaas hbt和algaas/ingaas phemt的一体化工艺，将功放电路与控制电路单片集成，实现模式控制的片上切换，能有效提高功放的集成度。该功放在工作电压为3.4 v，频率2.3～2.69 ghz范围内，使用10 mhz lte调制信号输入，在输出功率为10 dbm时，测得lpm相对于hpm效率提高至少6%，有效提高了功放功率回退时的效率，功放的性能在全频带内满足3gpp协议要求。
无线通讯系统中，射频功率放大器(power amplifiers，pa)是影响手持移动终端续航时间的重要因素之一，尤其是lte-a移动通信网络对功放的线性度和效率提出了更高的要求。lte-a是lte-advanced的简称，是lte的演进。lte-a协议采用正交频分复用(ofdm)技术，频谱效率高，峰值平均功率(papr)比较大。例如lte-a qpsk调制信号，带宽为10 mhz，资源块(resources block)数为12 rb时，其信号papr可达7 db以上[1]。由于lte-a系统信号的高papr，功率放大器主要工作在远离最高线性输出功率的功率回退区域，从而导致功放的平均效率降低，大大降低了移动终端的使用时长。
目前，已有很多关于功放平均效率改善技术的研究。具有代表性的技术如包络消除与恢复技术(eer)[2]和包络跟踪技术(et)[3]，均通过附加的电源电压调制模块根据信号包络调节不同输入信号下电源电压大小，以此提高功放的平均效率；但是其附加的控制电路增加了芯片的尺寸，增加了功放的复杂度和成本。
因此，本文介绍了一种带有高功率模式(high power mode，hpm)和低功率模式(low power mode，lpm)两种功率模式的功率放大器来提高功率放大器在低功率输出区域的效率。两种功率模式分别设计相应的线性功率放大器，并通过开关切换实现模式切换。开关采用简单实用的phemt工艺设计，且该开关工艺可以与ingap/gaas hbt工艺在同一个晶圆上实现。所以，通过这两种工艺的应用可将双功率模式功放单芯片实现，减小功放的尺寸。另外，为了简化射频前端，还将采用宽带化设计。
1 功放的设计与分析
基于以上的设计考虑，一个电源电压为3.4 v，工作在2.3～2.69 ghz范围内的双功率模式宽带功率放大器原理图如图1所示。图1所示功放原理图，其中阴影部分为单芯片集成（mmic）部分，只有输出匹配和电源供给通过片外实现，控制电路和偏置电路也与功放集成在同一个芯片(die)上。
图1所示功放架构，hpm链路由sw1、q1、q2和q3构成；lpm链路由sw2、sw3、q4和q5构成。高功率模式时，功放级q1、q2和q3工作，功放级q4和q5关闭，射频开关sw1打开，射频开关sw2和sw3关闭。低功率模式时，功放级q1、q2和q3关闭，功放级q4和q5工作，射频开关sw1关闭，射频开关sw2和sw3打开。功放和开关的开与关分别由偏置和开关控制电路控制。
1.1 高和低功率功放设计
功放的hpm链路通过一个三级功放实现，如图1所示。其中功放第一级要为后级提供足够的驱动，设计时使第一级偏置在a类以提高整个功率放大器的线性度及提供高增益，由于第一级输出功率较小，发射极面积大小为300 μm2；功放第二级为功放驱动级，主要使输出级能获得足够的功率输出，输出级偏置于浅ab类，驱动输出该级发射极面积大小为840 μm2；第三级主要起功率放大的作用，偏置在深ab类工作状态以提高功放效率，由于工作电流大，其发射极面积大小为4 500 μm2。为了实现宽带，功放的第一级和第二级都应用了rc负反馈网络，该负反馈网络可以增加功放的增益平坦度，并一定程度降低功放管的非线性影响。另外，二三级之间采用了两级lc的宽带高效匹配结构。
功放的lpm链路通过一个二级功放实现，如图1所示。其中功放第一级要提供增益和为后级提供足够的驱动，设计时使第一级偏置在ab类，发射极面积大小为300 μm2；第二级主要起功率放大的作用，其偏置在深ab类工作状态以提高功放效率，其发射极面积大小为540 μm2。为了增加带宽，功放的第一级应用了rc负反馈网络。
功放的hpm输出匹配网络采用了两级lc串联匹配网络提高输出匹配网络的带宽；另外，为了能在较宽的频率范围内获得较高谐波抑制，提高功放的效率和线性度，在功放输出的集电极添加了两个并联的谐波抑制网络。lpm的目标是工作在功放线性回退区，例如功率回退10 db。两种模式分别设置最优阻抗，因此在功率回退的时候能提高功放效率。
1.2 控制电路设计
图1中所示控制电路包括：电压基准电路、逻辑控制电路和功放偏置电压控制电路。
电压基准电路如图2所示，通过该电路可为功放的偏置电路提供偏置电压vreg。该基准电路为一个简单的镜像电路，通过晶体管q6、q7和电阻r可为偏置电路提供基准电压vreg；该电路可通过使能端ven的电位高与低来控制基准电路的工作与关闭；当基准电路关闭也意味着整个功放处于关闭状态。
图3所示为功放模式切换电路，包括逻辑控制电路和功放偏置电压控制电路。图3(a)为逻辑控制电路，通过该电路可以切换功放的功率模式；vmode接低电平时，hpm点为高电平，lpm点为低电平，功放打开高功率模式通道；vmode接高电平时，hpm点为低电平，lpm点为高电平，功放打开低功率模式通道。图3(b)为功放偏置电压控制电路，通过该电路可控制功放偏置电路的开与关；当高功率模式时，vreg=vbias_hpm，vbias_lpm为低电平，高功率链路偏置打开，低功率电路偏置关闭；当低功率模式时，vreg=vbias_lpm，vbias_hpm为低电平，高功率链路偏置关闭，低功率电路偏置打开。
2 功率放大器的实现
本文设计的双功率模式宽带功率放大器使用win semiconductors公司的ingap/gaas hbt和algaas/ingaas(d-mode)phemt工艺进行了成功流片。如图4所示为流片之后的mmic芯片照片，芯片die的尺寸大小为750 μm×950 μm。该芯片与基板粘合在一起后，最终制作完成的功放芯片的大小为3 mm×3 mm。
本文设计的mmic功率放大器，如图1阴影部分所示，只有输出匹配和电源供给通过片外实现，控制电路和偏置电路也与功放集成在同一个芯片die上。由于本文所设计功放集成度较高，在版图布局时，射频通路与直流通路分开布局，功放的hpm、lpm和控制电路分区域布局；射频与直流通路分开布局，可有效保证功放的性能。
3 功率放大器测试结果与分析
为了对芯片性能进行测试，将通过fr_4板材的pcb测试板搭载该芯片进行性能测试。功率放大器的工作电压为3.4 v，使用安捷伦的网络分析仪e5071c测得功率放大器hpm和lpm的小信号s参数s11和s21如图5所示。hpm时，静态电流大小为87 ma，其中从第一级到第三级静态电流分别为15 ma、26 ma和48 ma；在2.3～2.69 ghz频段范围内s21超过了29 db；参数s11在频率2.3～2.69 ghz之间也全都低于-10 db。lpm时，静态电流大小为20 ma，其中从第一级和第二级静态电流分别为8 ma和12 ma；在2.3～2.69 ghz频段范围内s21超过了17 db，在2.5 ghz处s21达到最高值20 db；参数s11在频率2.3～2.69 ghz之间也全都低于-8 db。以上说明小信号参数良好，在高功率模式下实现了小信号的宽频带。
使用安捷伦的信号发生器n5182a和信号分析仪n9030a搭建大信号测试平台；将功率放大器的电源电压设为3.4 v，调制信号源为lte-fdd-10m-12rb时，信号频率分别在2.3 ghz、2.5 ghz和2.69 ghz条件下，分别测得该功率放大器在频点2.3 ghz、2.5 ghz和2.69 ghz处的增益（gain）、输出功率（pout）、功率附加效率（pae）、e-utraaclr1和utraaclr1如图6、图7、图8和图9所示。e-utraaclr1和utraaclr1都是频带内的信号功率与其由于非线性而泄露到其他频带内的功率的比值。它们表征着pa对输入信号放大后对其他频段的干扰是否严重，其中，e-utraaclr1代表着4g对4g（即lte对lte）的干扰，utraaclr1代表着4g对3g的干扰（如lte对wcdma）。
图6为功放工作在hpm和lpm时的am-am图。从图中可知，在hpm时，增益(gain)在频带内都达到28.5 db，满足4g系统指标；从图中还可以看出hpm的功率输出p1db已经超过了28 dbm，实现了功放高线性度，满足lte_a的最大输出功率要求，这说明输出匹配状态良好。在lpm时，频带内增益(gain)在16.5～20 db之间波动，但相比仿真结果下降接近1 db；从图中还可以看出lpm的功率输出p1db已经超过了12.5 dbm，达到了目标设定最大线性输出至少11 dbm的要求。
图7为功放工作在hpm和lpm时的功率附加效率（pae）图。从图中可知，在hpm时，功放的最高效率在频带内都达到了30%，其中在2.5 ghz处的最佳效率达到38%；在lpm时，功放的最高效率在频带内都达到了12%；其中在输出功率为10 dbm时，lpm相对于hpm效率提高至少6%；由此可知，双功率模式功放可以有效提高功放在功率回退区域的效率。
图8为功放工作在hpm和lpm时的线性度（e-utraaclr1）图。从图中可知，在hpm时，输出28 dbm时，频带内线性度e-utraaclr1全低于-35 dbc，可知在hpm时满足4g系统的线性指标e-utraaclr1必须小于-30 dbc的要求。在lpm时，输出12.5 dbm时，频带内线性度e-utraaclr1全都低于-35 dbc，可知在功率回退到12.5 dbm以下时功放可切换为lpm。
图9为功放工作在hpm和lpm时的线性度（utraaclr1）图。从图中可知，在hpm时，输出28 dbm时，频带内线性度utraaclr1全都低于－36 dbc，可知在hpm时满足4g系统的线性指标utraaclr1必须小于-33 dbc的要求。在lpm时，输出12.5 dbm时，频带内线性度utraaclr1全都低于-36 dbc。
表1为本文所设计功放的hpm与同类型功率放大器研究与产品的主要性能对比。由表对比可知本章所设计功放在达到宽带的同时，功放还获得了较高的线性度和效率。此外，对比文献[6]中国际大厂商avago technologies的产品，本章所设计功放性能已经达到产品级，只是相比单频带应用功放效率稍低，有很明显的实用价值。
4 结论
基于ingap/gaas hbt和algaas/ingaas(d-mode)phemt工艺，设计了一种应用于lte-a的宽带功率放大器，封装芯片大小为3 mm×3 mm，并利用双功率模式改善功放功率回退区域的效率。芯片测试结果表明，该芯片同时满足4g移动通信系统频段band 38、band 40、band 41和band 7的应用；功放的双功率模式也能有效地提高功放在功率回退区域的效率；此外，本文实现的射频功率放大器结构简单，集成度高，能有效简化射频前端应用。
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目前，已有很多关于功放平均效率改善技术的研究。具有代表性的技术如包络消除与恢复技术(eer)[2]和包络跟踪技术(et)[3]，均通过附加的电源电压调制模块根据信号包络调节不同输入信号下电源电压大小，以此提高功放的平均效率；但是其附加的控制电路增加了芯片的尺寸，增加了功放的复杂度和成本。
因此，本文介绍了一种带有高功率模式(high power mode，hpm)和低功率模式(low power mode，lpm)两种功率模式的功率放大器来提高功率放大器在低功率输出区域的效率。两种功率模式分别设计相应的线性功率放大器，并通过开关切换实现模式切换。开关采用简单实用的phemt工艺设计，且该开关工艺可以与ingap/gaas hbt工艺在同一个晶圆上实现。所以，通过这两种工艺的应用可将双功率模式功放单芯片实现，减小功放的尺寸。另外，为了简化射频前端，还将采用宽带化设计。
1 功放的设计与分析
基于以上的设计考虑，一个电源电压为3.4 v，工作在2.3～2.69 ghz范围内的双功率模式宽带功率放大器原理图如图1所示。图1所示功放原理图，其中阴影部分为单芯片集成（mmic）部分，只有输出匹配和电源供给通过片外实现，控制电路和偏置电路也与功放集成在同一个芯片(die)上。
图1所示功放架构，hpm链路由sw1、q1、q2和q3构成；lpm链路由sw2、sw3、q4和q5构成。高功率模式时，功放级q1、q2和q3工作，功放级q4和q5关闭，射频开关sw1打开，射频开关sw2和sw3关闭。低功率模式时，功放级q1、q2和q3关闭，功放级q4和q5工作，射频开关sw1关闭，射频开关sw2和sw3打开。功放和开关的开与关分别由偏置和开关控制电路控制。
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功放的lpm链路通过一个二级功放实现，如图1所示。其中功放第一级要提供增益和为后级提供足够的驱动，设计时使第一级偏置在ab类，发射极面积大小为300 μm2；第二级主要起功率放大的作用，其偏置在深ab类工作状态以提高功放效率，其发射极面积大小为540 μm2。为了增加带宽，功放的第一级应用了rc负反馈网络。
功放的hpm输出匹配网络采用了两级lc串联匹配网络提高输出匹配网络的带宽；另外，为了能在较宽的频率范围内获得较高谐波抑制，提高功放的效率和线性度，在功放输出的集电极添加了两个并联的谐波抑制网络。lpm的目标是工作在功放线性回退区，例如功率回退10 db。两种模式分别设置最优阻抗，因此在功率回退的时候能提高功放效率。
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图3所示为功放模式切换电路，包括逻辑控制电路和功放偏置电压控制电路。图3(a)为逻辑控制电路，通过该电路可以切换功放的功率模式；vmode接低电平时，hpm点为高电平，lpm点为低电平，功放打开高功率模式通道；vmode接高电平时，hpm点为低电平，lpm点为高电平，功放打开低功率模式通道。图3(b)为功放偏置电压控制电路，通过该电路可控制功放偏置电路的开与关；当高功率模式时，vreg=vbias_hpm，vbias_lpm为低电平，高功率链路偏置打开，低功率电路偏置关闭；当低功率模式时，vreg=vbias_lpm，vbias_hpm为低电平，高功率链路偏置关闭，低功率电路偏置打开。
2 功率放大器的实现
本文设计的双功率模式宽带功率放大器使用win semiconductors公司的ingap/gaas hbt和algaas/ingaas(d-mode)phemt工艺进行了成功流片。如图4所示为流片之后的mmic芯片照片，芯片die的尺寸大小为750 μm×950 μm。该芯片与基板粘合在一起后，最终制作完成的功放芯片的大小为3 mm×3 mm。
本文设计的mmic功率放大器，如图1阴影部分所示，只有输出匹配和电源供给通过片外实现，控制电路和偏置电路也与功放集成在同一个芯片die上。由于本文所设计功放集成度较高，在版图布局时，射频通路与直流通路分开布局，功放的hpm、lpm和控制电路分区域布局；射频与直流通路分开布局，可有效保证功放的性能。
3 功率放大器测试结果与分析
为了对芯片性能进行测试，将通过fr_4板材的pcb测试板搭载该芯片进行性能测试。功率放大器的工作电压为3.4 v，使用安捷伦的网络分析仪e5071c测得功率放大器hpm和lpm的小信号s参数s11和s21如图5所示。hpm时，静态电流大小为87 ma，其中从第一级到第三级静态电流分别为15 ma、26 ma和48 ma；在2.3～2.69 ghz频段范围内s21超过了29 db；参数s11在频率2.3～2.69 ghz之间也全都低于-10 db。lpm时，静态电流大小为20 ma，其中从第一级和第二级静态电流分别为8 ma和12 ma；在2.3～2.69 ghz频段范围内s21超过了17 db，在2.5 ghz处s21达到最高值20 db；参数s11在频率2.3～2.69 ghz之间也全都低于-8 db。以上说明小信号参数良好，在高功率模式下实现了小信号的宽频带。
使用安捷伦的信号发生器n5182a和信号分析仪n9030a搭建大信号测试平台；将功率放大器的电源电压设为3.4 v，调制信号源为lte-fdd-10m-12rb时，信号频率分别在2.3 ghz、2.5 ghz和2.69 ghz条件下，分别测得该功率放大器在频点2.3 ghz、2.5 ghz和2.69 ghz处的增益（gain）、输出功率（pout）、功率附加效率（pae）、e-utraaclr1和utraaclr1如图6、图7、图8和图9所示。e-utraaclr1和utraaclr1都是频带内的信号功率与其由于非线性而泄露到其他频带内的功率的比值。它们表征着pa对输入信号放大后对其他频段的干扰是否严重，其中，e-utraaclr1代表着4g对4g（即lte对lte）的干扰，utraaclr1代表着4g对3g的干扰（如lte对wcdma）。
图6为功放工作在hpm和lpm时的am-am图。从图中可知，在hpm时，增益(gain)在频带内都达到28.5 db，满足4g系统指标；从图中还可以看出hpm的功率输出p1db已经超过了28 dbm，实现了功放高线性度，满足lte_a的最大输出功率要求，这说明输出匹配状态良好。在lpm时，频带内增益(gain)在16.5～20 db之间波动，但相比仿真结果下降接近1 db；从图中还可以看出lpm的功率输出p1db已经超过了12.5 dbm，达到了目标设定最大线性输出至少11 dbm的要求。
图7为功放工作在hpm和lpm时的功率附加效率（pae）图。从图中可知，在hpm时，功放的最高效率在频带内都达到了30%，其中在2.5 ghz处的最佳效率达到38%；在lpm时，功放的最高效率在频带内都达到了12%；其中在输出功率为10 dbm时，lpm相对于hpm效率提高至少6%；由此可知，双功率模式功放可以有效提高功放在功率回退区域的效率。
图8为功放工作在hpm和lpm时的线性度（e-utraaclr1）图。从图中可知，在hpm时，输出28 dbm时，频带内线性度e-utraaclr1全低于-35 dbc，可知在hpm时满足4g系统的线性指标e-utraaclr1必须小于-30 dbc的要求。在lpm时，输出12.5 dbm时，频带内线性度e-utraaclr1全都低于-35 dbc，可知在功率回退到12.5 dbm以下时功放可切换为lpm。
图9为功放工作在hpm和lpm时的线性度（utraaclr1）图。从图中可知，在hpm时，输出28 dbm时，频带内线性度utraaclr1全都低于－36 dbc，可知在hpm时满足4g系统的线性指标utraaclr1必须小于-33 dbc的要求。在lpm时，输出12.5 dbm时，频带内线性度utraaclr1全都低于-36 dbc。
表1为本文所设计功放的hpm与同类型功率放大器研究与产品的主要性能对比。由表对比可知本章所设计功放在达到宽带的同时，功放还获得了较高的线性度和效率。此外，对比文献[6]中国际大厂商avago technologies的产品，本章所设计功放性能已经达到产品级，只是相比单频带应用功放效率稍低，有很明显的实用价值。
4 结论
基于ingap/gaas hbt和algaas/ingaas(d-mode)phemt工艺，设计了一种应用于lte-a的宽带功率放大器，封装芯片大小为3 mm×3 mm，并利用双功率模式改善功放功率回退区域的效率。芯片测试结果表明，该芯片同时满足4g移动通信系统频段band 38、band 40、band 41和band 7的应用；功放的双功率模式也能有效地提高功放在功率回退区域的效率；此外，本文实现的射频功率放大器结构简单，集成度高，能有效简化射频前端应用。
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