CN101951226B - 一种锗化硅双极-互补金属氧化物半导体ab类功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锗化硅双极-互补金属氧化物半导体AB类功率放大器，该放大器电路结构分为第一级预放大级和第二级功率放大级，其中第一级放大管用的是标准锗化硅双极型晶体管，第二级放大管用的是高压锗化硅双极型晶体管，以得到高的功率输出；以电流镜的形式来提供偏置电流，利用温度负反馈来提高偏置电路的温度稳定性。本发明线性度高，功耗低，温度稳定性好，当输出P1dB压缩点约为18.5dBm。在5.5GHz后仿真S11＜-15dB，S22＜-6.6dB，S21＞16dB。

Description

一种锗化硅双极-互补金属氧化物半导体AB类功率放大器

技术领域

本发明属于射频集成电路设计的技术领域，涉及一种工作于中心频率为5.5GHz锗化硅双极-互补金属氧化物半导体(SiGe BiCMOS)AB类功率放大器。

背景技术

随着无线局域网IEEE802.11系列技术的迅速发展，人们越来越青睐于便携式的设备和数据传输率快的技术。802.11a标准使用5～6GHz频段，工作于该频段的功率放大器的设计实现对于数据传输起着至关重要的作用。近年来，射频集成电路技术日趋成熟，而且基于CMOS工艺的全片集成芯片射频收发机已经有了许多成功案例。然而，芯片上集成的高效率高线性度功率放大器(Power Amplifier，PA)还是一个挑战。功率放大器处于发射机后端，需要高的输出功率来发射信号，并且由于802.11a标准采用OFDM技术，对于5～6GHz功率放大器的线性度要求较高。传统由CMOS技术集成的功率放大器，由于有源器件的击穿电压较低以及较小的电流驱动能，实现高功率输出和高线性度输出比较困难，需要有新的替代工艺来实现高功率输出和高线性度功率放大器。

与CMOS工艺相比，SiGe BiCMOS工艺结合了Biploar和CMOS工艺的优点，具有更高的特征频率，0.18um SiGe BiCMOS技术具有50GHz以上的特征频率，可以有效减少噪声。另外，该工艺还可以与Si工艺兼容。SiGe BiCMOS技术能充分改善Bipolar器件的大信号性能，提高器件击穿电压，从而特别适合于功率放大器的应用。

功率放大器在类型上分为许多种，其中A、B、AB、C类功放导通角比较大，从而有较高的线性度。但是这是以较低的效率来换取高线性度的。而D类、E类、F类功放为非线性功放，可以实现比较高的效率。典型功率放大器如图1所示。BFL作为扼流圈阻塞交流信号，并且可以把直流功率送到晶体管集电极。集电极通过电容BFC连接到一个震荡回路来避免负载上有直流功耗。这种传统结构的提供了滤波功能从而避免了由总是存在的非线性引起的频带外的发射信号。但是由于集成电路中电感品质因子不太高，因此带来的损耗还是比较高的。另外BFC可以吸收晶体管的输出电容，对于电路实现匹配非常有利。但是，这种结构实现的功放往往都是窄带工作的，因此在设计宽带功放时需要改进这种结构。

发明内容

本发明的目的是推出一种基于SiGe BiCMOS工艺技术工作于中心频率为5.5GHz的全片集成AB类功率放大器。BiCMOS器件结合了双极型(Bipolar)器件和MOS器件两者的优点，而且利用了锗硅异质结(SiGe)技术的器件功率优势，在高功率高效率以及低谐波失真、工作速度快、功耗低等方面表现更为突出。

本发明所述的SiGe BiCMOS AB类功率放大器是由Bipolar器件和无源器件相结合组成的电路，电路结构分为第一级预放大级和第二级功率放大级，其中第一级放大管用的是标准Bipolar晶体管，第二级放大管用的是高压Bipolar晶体管，以得到高的功率输出。偏置电路中使用的晶体管为标准Bipolar晶体管，以电流镜的形式来提供偏置电流，利用温度负反馈技术来提高偏置电路的温度稳定性。

本发明具体技术方案是：

一种锗化硅双极-互补金属氧化物半导体AB类功率放大器，该放大器包括：第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7、第八晶体管Q8、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5及第六电容C6，其连接方式为：第一晶体管Q1的基极与第二电容C2相连，发射极与地线GND连接，集电极与第四电容C4连接；第二晶体管Q2的基极与第四电容C4连接，发射极与地线GND连接，集电极与电容C6相连；第三晶体管Q3的基极与电阻R2相连接，发射极与第五晶体管Q5的集电极和基极连在一起，集电极与第一电阻R1连接；第四晶体管Q4的基极与第二电阻R2和第一电阻R1连接，发射极与第三电阻R3和第三电容C3相连，集电极与2.5V电源V25相连；第五晶体管Q5基极与集电极连在一起并与第四晶体管Q4发射极相连；第六晶体管Q6的基极与电阻R5相连接，发射极与第八晶体管Q8的集电极和基极连在一起，集电极与第四电阻R4连接；第七晶体管Q7的基极与第五电阻R5和第四电阻R4连接，发射极与第六电阻R6和第五电容C5相连，集电极与电源V33相连；第八晶体管Q8基极与集电极连在一起并与第六晶体管Q6发射极相连；第一电感L1一端接第一电容C1和第二电容C2，另一端接地线GND；第二电感L2跨接在电源V25和第一晶体管Q1的集电极之间；第三电感L3跨接在电源V33端和第二晶体管Q2的集电极之间；第四电感L4一端接在第六电容C6端，另一端接地线GND；第一电阻R1跨接在第三晶体管Q3集电极和电源V25之间；第二电阻R2跨接在第三晶体管Q3基极和第四晶体管Q4基极之间；第三电阻R3跨接在第四晶体管Q4发射极和第一晶体管Q1基极之间；第四电阻R4跨接在第六晶体管Q6集电极和电源V33之间；第五电阻跨接在第六晶体管Q6基极和第七晶体管Q7基极之间；第六电阻跨接在第七晶体管Q7发射极和第二晶体管Q2基极之间；第一电容C1跨接在输入端RFIN和第二电容C2之间；第二电容C2跨接在第一电容C1和第一晶体管Q1基极之间；第三电容C3跨接在第四晶体管Q4发射极和第一晶体管Q1基极之间；第四电容C4跨接在第一晶体管Q1集电极和第二级晶体管Q2基极之间；第五电容C5跨接在第七晶体管Q7发射极和第二晶体管Q2基极之间；第六电容C6跨接在第二晶体管Q2集电极和电感L4之间。

所述第一晶体管Q1至第八晶体管Q8为锗化硅双极型晶体管。

本发明能够通过简单的两级放大电路结构来实现对于输入信号的功率放大并同时保证一定的线性度。利用偏置电路的温度负反馈原理来保证电路工作的温度稳定性。根据输出功率指标选择了两级放大电路，第一级为预放大电路，考虑到标准管的电流放大能力比较强，而且也希望第一级的电压放大不要太大，这样对于第二级输入晶体管BE结容易造成击穿。标准管的击穿电压为4～4.5V，据此选择了电源电压2.5V。仿真过程中为了留有一定的裕度，使得第一晶体管Q1集电极处电压峰值小于4V。第二级晶体管Q2集电极击穿电压可以达到6V，这也有利于达到一定的输出功率。对于AB类功率放大器而言，输出功率和线性度是其关键指标，但是效率也是非常重要的指标，AB类功率放大器的效率与其导通角θ大小紧密相关。一般而言，AB类放大器在一个周期的50％到100％的时间段内导通，导通角越小效率也会越高，如公式(1)，但是线性度也会随着下降，因此这里需要一个折中。

${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{2\mathrm{\θ}-\sin 2\mathrm{\θ}}{4(\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ})}---\left(1\right)$

第一级为预放大级对输入信号进行预放大处理，两级通过耦合电容连在一起，第二级对信号进行再放大。偏置电路的电流镜结构为电路提供偏置，采用温度负反馈来稳定的提供偏置电流。另外，偏置结构可以根据输入信号的功率来在一定程度上调节偏置电流，从而有助于提高线性度。对于锗硅双极型晶体管(SiGe NPN)，由于其特有的异质结构加速载流子在基区的漂移运动，从而提高了特征频率，从而可以减小噪声。为了提高线性度，在选取发射极长度最长的管子来提高线性度。

与传统的Si CMOS技术的AB类功放相比，本发明的优点在于：现以采用0.18μm SiGeBiCMOS工艺设计的5.5GHz SiGe BiCMOS AB类功率放大器为例说明之。

1、线性度高

实际后仿真表明，本发明的5.5GHz SiGe BiCMOS AB类功率放大器输出P1dB压缩点达到约18.5dBm，对应的输入P1dB压缩点为2.5dBm。最大输出功率可以达到21dBm。比传统Si CMOS工艺的AB类功率放大器线性度要高。

2、功耗低

本发明的5.5GHz SiGe BiCMOS AB类功率放大器的低功耗特性用以下指标表征：本发明的SiGe BiCMOS AB类功率放大器的供电电压第一级为2.5V，第二级为3.3V，低于传统CMOS功率放大器的3.3V/5V供电，而且偏置电流较小，从而可以降低功耗，提高效率。仿真表明，在输入功率为5dBm时的效率达到约25％。

3、温度稳定性好

本发明的工作中心频率5.5GHz SiGe BiCMOS AB类功率放大器采用一种电流镜结构，由于温度负反馈的原理，可以在温度变化范围较大的情况下实现良好的稳定的工作。

附图说明

图1为典型功率放大器的电路结构图

图2为本发明功率放大器的电路结构图

图3为本发明功率放大器的线性度示意图

具体实施方式

本发明的技术方案就是具体的实施例，这里就不再赘述实施例。下面详尽介绍本发明的工作过程。

参阅图2，第一级偏置电路使用2.5V电源电压。第二级偏置电路使用3.3V电源电压。根据所要得到的输出功率选取第二级晶体管Q2所选管子宽度和长度以及并联管子数目。考虑到第二级晶体管Q2的集电极寄生电容，第二级集电极电感L3用来与该寄生电容在5.5GHz处谐振，并作为滤波网络来滤除高次谐波。第六电容C6与第四电感L4作为阻抗变换网络，将负载电阻变换到我们需要的一个目标值。第四电容C4作为第一级预放大级与第二级功率放大级之间的耦合。第一级用T型的匹配网络来进行阻抗匹配，第二电容C2和第四电容C4也作为偏置电路的隔直电容。第一级偏置电路中第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5用的是相同发射极宽和长的SiGe NPN管。同样，第二级偏置电路中第六晶体管Q6、第七晶体管Q7和第八晶体管Q8也是选取相同发射极宽和长的SiGe NPN管。通过合理的选取第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的阻值来为第一级预放大级提供偏置电流。第二级原理与此相同。输出功率P_RL可以表示为：

$P_{R_L}=\frac{{\left|V_{R_L}\right|}^2}{2R_L}={\left|\frac{\left(X_{L4}\right|\left|R_L\right)V_{\mathrm{PK}}}{[\left(X_{L4}\right|\left|R_L\right)+X_{C6}]}\right|}^2\frac{1}{2R_L}$

$={\left|\frac{V_{\mathrm{PK}}}{[1-(\mathrm{j\ω}{L}_4+R_L)/{\mathrm{\ω}}^2{L}_4{C}_6{R}_L]}\right|}^2\frac{1}{2R_L}$

$=\frac{V_{\mathrm{PK}}^2}{2R_L[{(1-1/{\mathrm{\ω}}^2{L}_4{C}_6)}^2+1/{\mathrm{\ω}}^2{R_L}^2{C_6}^2]}$

这里X_L4＝jωL₄， $X_{C6}=\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_6}$

当ω²L₄C₆＝1时， $P_{R_L}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{C_6}^2{R}_L{V}_{\mathrm{PK}}^2}{2}$

计算出的输出功率值为需要根据输出线性度的要求调整第四电感L4和第六电容C6的值。

整个设计的所有器件尺寸见表1。

表1器件尺寸汇总

器件名	尺寸	器件名	尺寸
				Q1	0.4um×20um×12	L1	0.916nH
Q2	0.4um×20um×40	L2	1.63nH
				Q3	0.3um×20um×4	L3	1.99nH
Q4	0.3um×20um×4	L4	1.07nH
				Q5	0.3um×20um×4	C1	0.385pF
Q6	0.2um×10um×8	C2	0.77pF
				Q7	0.3um×10um×8	C3	0.596pF
Q8	0.3um×10um×8	C4	3.57pF
				R1	162ohm	C5	0.027pF
R2	552ohm	C6	2.38pF
				R3	151ohm
R4	180ohm
				R5	552ohm
R6	180ohm

本发明的功率放大器适于基于5～6GHz WLAN 802.11a技术标准的射频发射系统，也可应用于该频段AM、OFDM信号调制的发射。

参阅图3，从图3可以看出该功率放大器第一级使用2.5v电压，第二级使用3.3v电压，输出功率的线性度达到了18dBm，适合户内802.11a标准规定的无线局域网的应用(即线性度大于16dBm)。

Claims (2)

1.一种锗化硅双极—互补金属氧化物半导体AB类功率放大器，其特征在于该放大器包括：第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7、第八晶体管Q8、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5及第六电容C6，其连接方式为：第一晶体管Q1的基极与第二电容C2相连，发射极与地线GND连接，集电极与第四电容C4连接；第二晶体管Q2的基极与第四电容C4连接，发射极与地线GND连接，集电极与电容C6相连；第三晶体管Q3的基极与电阻R2相连接，发射极与第五晶体管Q5的集电极和基极连在一起，集电极与第一电阻R1连接；第四晶体管Q4的基极与第二电阻R2和第一电阻R1连接，发射极与第三电阻R3和第三电容C3相连，集电极与2.5V电源V25相连；第五晶体管Q5基极与集电极连在一起并与第三晶体管Q3发射极相连，第五晶体管Q5发射极与地线GND连接；第六晶体管Q6的基极与电阻R5相连接，发射极与第八晶体管Q8的集电极和基极连在一起，集电极与第四电阻R4连接；第七晶体管Q7的基极与第五电阻R5和第四电阻R4连接，发射极与第六电阻R6和第五电容C5相连，集电极与电源V33相连；第八晶体管Q8基极与集电极连在一起并与第六晶体管Q6发射极相连，第八晶体管Q8发射极与地线GND连接；第一电感L1一端接第一电容C1和第二电容C2，另一端接地线GND；第二电感L2跨接在电源V25和第一晶体管Q1的集电极之间；第三电感L3跨接在电源V33端和第二晶体管Q2的集电极之间；第四电感L4一端接在第六电容C6端，另一端接地线GND；第一电阻R1跨接在第三晶体管Q3集电极和电源V25之间；第二电阻R2跨接在第三晶体管Q3基极和第四晶体管Q4基极之间；第三电阻R3跨接在第四晶体管Q4发射极和第一晶体管Q1基极之间；第四电阻R4跨接在第六晶体管Q6集电极和电源V33之间；第五电阻跨接在第六晶体管Q6基极和第七晶体管Q7基极之间；第六电阻跨接在第七晶体管Q7发射极和第二晶体管Q2基极之间；第一电容C1跨接在输入端RFIN和第二电容C2之间；第二电容C2跨接在第一电容C1和第一晶体管Q1基极之间；第三电容C3跨接在第四晶体管Q4发射极和第一晶体管Q1基极之间；第四电容C4跨接在第一晶体管Q1集电极和第二晶体管Q2基极之间；第五电容C5跨接在第七晶体管Q7发射极和第二晶体管Q2基极之间；第六电容C6跨接在第二晶体管Q2集电极和电感L4之间；其中：

所述电源V25为2.5V，电源V33为3.3V；

所述放大器采用两级放大电路，第一级放大电路为预放大级电路，第一晶体管Q1、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5为标准Bipolar晶体管，第二级放大电路为功率放大级电路，第二晶体管Q2、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7、第八晶体管Q8为高压Bipolar晶体管。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于所述第一晶体管Q1至第八晶体管Q8为锗化硅双极型晶体管。

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