混合分立式功率放大器設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)

我們前面展示的分布式放大器技術(shù)對MMIC效果明顯。然而，對于混合分立式設(shè)計(jì)來說，要實(shí)現(xiàn)多級是十分困難的。我們選擇采用一種橋接T拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將單個晶體管的輸入端匹配至50Ω。我們選擇了合適的晶體管的尺寸，以便輸出端的50Ω端口與其目標(biāo)負(fù)載線完好匹配，因此，放大器輸出端可以不匹配。我們選擇了一款周長為1.24mm的晶體管。另外，借助周長為2.48mm的晶體管也可實(shí)現(xiàn)不錯的負(fù)載線，其一般具有更高的效率和更低的功率密度。要進(jìn)一步優(yōu)化性能，可以在電路板級進(jìn)行更多匹配。MMIC成品如圖4所示。芯片的最終尺寸為1.277mm ×1.06mm。用周長為2.48mm的晶體管(本文中未討論)打造的另一款芯片的尺寸為1.277mm ×1.305mm(大23%)。

圖4：用于混合分立式功率放大器解決方案的MMIC成品圖(左)和原理圖(右)。

橋接T拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是Zobel網(wǎng)絡(luò)的修改版，可以在輸入端提供恒定阻抗。用于匹配晶體管輸入端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。該電路的匹配設(shè)計(jì)可在30MHz至2700MHz范圍內(nèi)提供良好的回波損耗性能。橋接T匹配的不足之處在于，網(wǎng)絡(luò)損耗較大。然而，在這些低頻下，晶體管擁有較大的增益，可以平衡掉這些損耗，從而使芯片在各種頻率下均能無條件保持穩(wěn)定。因此，對于該工作頻率，橋接T是一種非常合適的選擇，不會影響性能。

橋接T網(wǎng)絡(luò)的低頻性能在很大程度上取決于并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的阻抗。為了在低頻下實(shí)現(xiàn)實(shí)部阻抗，需要使用一個較大的電容。為此，我們用一個焊盤連接一個片外電容(見圖4中的外部電容)。由于MMIC的輸入端已匹配至50 Ω，因此，輸入網(wǎng)絡(luò)不需要進(jìn)行其他匹配。此外，器件在尺寸設(shè)計(jì)上已在輸出端提供近50 Ω的負(fù)載線，因此，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)只需要一個串聯(lián)L并聯(lián)C網(wǎng)絡(luò)以保障高頻性能，然后，在低頻下提供50Ω的負(fù)載阻抗以保障寬帶性能。輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)都采用了寬帶偏置網(wǎng)絡(luò)，并部署在一塊4”×3”的應(yīng)用板上。

混合式放大器的測量值

我們在一塊用Rogers 4350B制成的電路板上對最終器件進(jìn)行了測試。50Ω匹配輸入表現(xiàn)良好，能在40MHz至2.7GHz的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)10dB的回波損耗，在低至30MHz的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)7dB的回波損耗(圖5)。器件在低頻下實(shí)現(xiàn)12dB的增益，在高頻下實(shí)現(xiàn)17dB的增益。

在32V和脈沖條件下，放大器實(shí)現(xiàn)了5W的典型輸出功率(或者，4W/mm的功率密度)，在1至2.7GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)45%的功率附加效率(圖6)。我們選擇了脈沖而非CW工作模式，因?yàn)樵u估板限制了總功耗。另外，我們在1至2.7GHz范圍內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量，因?yàn)槲覀儫o法在1GHz以下構(gòu)建脈沖試驗(yàn)臺。

討論

結(jié)果表明，兩款放大器均能在30~2700 MHz范圍內(nèi)工作，二者具有相似的輸出功率密度。完全匹配的MMIC在器件尺寸以及輸出功率的選擇方面表現(xiàn)出較大的靈活性，但其代價(jià)也比較大。另一方面，我們展示的混合式解決方案具有較為獨(dú)特，器件尺寸固定，因此對性能形成了限制;較小或大得多的晶體管都無法在整個帶寬范圍內(nèi)取得良好效果。但是，由于芯片尺寸非常小(為MMIC的1/4，但功率僅少一半)，因此其代價(jià)更能令人接受。另外，最多可以使用兩倍周長的晶體管，可實(shí)現(xiàn)類似MMIC的性能，芯片尺寸增幅也不大(23%)，并且混合式解決方案可使用外部元件進(jìn)行調(diào)整，以在特定頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的性能。然而，MMIC解決方案由于要處理的寄生電容較少，所以可以實(shí)現(xiàn)卓越的性能。歸根結(jié)底，如果系統(tǒng)側(cè)重于打造一種低成本的解決方案，并且可以犧牲一定的性能，則混合式解決方案是更合適的選擇。然而，如果系統(tǒng)要求以較高的代價(jià)提供特定的性能，則MMIC解決方案是更好的選擇。盡管如此，實(shí)踐表明，兩種設(shè)計(jì)技術(shù)都是寬帶條件下的有效選擇。

圖5：混合MMIC分立式功率放大器的小信號S參數(shù)實(shí)測值。

圖6：混合式解決方案的實(shí)測Pout和漏極效率。放大器驅(qū)動至3dB壓縮點(diǎn)，所用脈沖寬度為100us，占空比為20%。

結(jié)論

本文介紹了兩種不同的放大器平臺，即全集成式MMIC和混合封裝式放大器，兩者均可在30 ~2700MHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先的性能。其實(shí)現(xiàn)方法是在MMIC上運(yùn)用行波技術(shù)，在混合式設(shè)計(jì)中，則是運(yùn)用橋接T拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使晶體管匹配至50Ω。兩種技術(shù)各有優(yōu)點(diǎn)，在性能和成本方面各有折衷。