童伟　王测天　王亚文　邬海峰 林倩

摘要：本文介绍了一种基于0.5 μm GaAs pHEMT工艺的L波段高线性度驱动放大器（DA）。该双级放大器由堆叠结构构成，基于自偏置技术与负反馈技术，该放大器在保持低噪声的同时能够具有高线性度。实测结果显示，在0.5-1GHz宽频带范围内，输入以及输出反射系数均低于﹣20 dB，带内的典型噪声系数为0.6 dB，输出功率1dB压缩点大于17 dBm。芯片尺寸为0.8×0.75 mm2。因此，该芯片在兼顾低噪声的同时具有极佳的线性度特性和高增益，具有广泛的市场应用前景。

关键词：堆叠;低噪声;GaAs pHMET;高线性度;宽带驱动放大器

1 概述

随着4G、5G无线通信系统的发展，移动通信的基站系统对射频前端中的宽带驱动放大器的性能提出了低噪声、良好输入输出驻波匹配以及高线性度等要求。尤其在5G无线通信系统中，700MHz左右的频段具有传播损耗低、覆盖范围广、穿透能力强的特点而得到广泛应用，因此系统迫切需求覆盖700MHz左右的频段的低噪声、宽匹配以及高线性度的驱动功率放大器芯片。为实现较低的噪声和高线性度，现有商用宽带驱动放大器芯片往往采用传统的两级共源放大器采用分别馈电的方式工作，并且前级晶体管通过电阻降压获得合适的漏压来改善噪声系数，从而造成芯片功耗增加。

本文设计了一种堆叠结构的驱动放大器芯片结构，利用堆叠（Stacked）结构大幅提高输出阻抗匹配，拓展带宽;同时，采用电感串联负反馈结构优化线性度与输入匹配的同时保证低噪声性能;采用自偏置技术减少外围电路的复杂度。芯片流片后，测试结果显示该芯片在低功耗情况下，具有优异的宽带低噪声性能和高线性度指标。

2 芯片结构

本论文的驱动宽带放大器电路采用堆叠放大器电路结构，如图1所示，同时采用单电源供电模式。共源级电路使用源极串联电感负反馈结构来增加输入阻抗;在堆叠结构中，共源电路对芯片性能的影响占主导作用，为减小工艺波动对性能的影响，共源级电路偏置采用有源偏置结构;共栅级电路偏置直接采用电阻分压结构。同时本电路使用了RC负反馈结构，来调节输入输出匹配，并扩展带宽。Stacked结构与传统共源共栅（Cascode）晶体管的不同之处在于堆叠结构中的栅极匹配电容的容值较小，用于实现堆叠晶体管的最佳源极阻抗匹配，而传统Cascode晶体管的堆叠栅极补偿电容容值极大，从而将栅极实现交流接地。

共源晶体管M1和共栅晶体管M2的栅宽分别为8×100 μm和8×120 μm。电感L1源极串联负反馈电路能够调节输入匹配与增益。电容C1和电阻R1为输出端到输入端的负反馈电路，能够调节输入与输出阻抗，增加带宽，改善稳定性能;电容C2和电阻R2为输出端到共栅管M2栅极的负反馈电路，能够改善电路稳定性、调节增益并改善线性度性能;电容C3和电阻R3为共栅管M2栅极到地通路，改善电路稳定性。为实现单电源供电，本方案采用自偏置技术，包括有源偏置和电阻分壓结构。本电路需要具有一定的抗静电冲击能力，在电路的所有对外端口均加有ESD二极管进行静电防护。

3 实验结果

采用0.5 μm的GaAs pHEMT工艺流片加工后，该芯片厚度为100 μm，芯片尺寸为0.8×0.75 mm2。如图2所示为其芯片照片。利用定制的芯片测试夹具进行测试后，施加工作电压5 V，测试得静态电流83mA。图3为测试的增益、驻波曲线。从测试结果中可以看出，增益测试结果的高频部分涨了1dB左右，具有一定正斜率，在0.5-1 GHz典型增益约为20dB。输入与输出反射系数较好，均小于-20 dB。图4噪声系数和线性度测试结果，在工作频段内噪声系数约为0.6dB，输出P-1dB大于17 dBm，OIP3大于39 dBm。

4 结论

本论文采用0.5 μm GaAs pHEMT工艺研制了一款0.5-1GHz高线性度驱动放大器芯片，芯片尺寸为0.8×0.75 mm2。在0.5-1GHz频带内测试结果显示：驱动放大器芯片增益为20 dB，噪声系数典型值为0.6 dB，输入、输出反射系数小于-20 dB，P-1dB大于17dBm，OIP3性能大于39dBm。在5V工作电压下，芯片的静态电流为83mA。该芯片可以满足相关无线通信系统前端的需求。

参考文献

[1]S. Hu， W. Zhong， H. Gao， et al.， “A novel Darlington Cascode broadband drive power amplifier in 2μm InGaP/GaAs HBT technology，” IEEE Wireless & Microwave Technology Conference. 2012.

[2]S. Hu， et al.， “A 0.2–6 GHz linearized Darlington- Cascode broadband power amplifier，” IEICE Electronics Express， 15（8）， 2018.