可變增益的功率放大器單片微波集成電路

3 CAD設(shè)計仿真與測試結(jié)果

按照圖1和圖5的拓撲結(jié)構(gòu)，使用ADS仿真工具結(jié)合GaAs PHEMT工藝模型，對電路進行設(shè)計和優(yōu)化。

利用ADS對功率放大器單片集成電路的無源元件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，調(diào)整電容、帶線等匹配元件的尺寸，對電路的工作頻帶、增益、駐波、輸出功率和效率等參數(shù)進行優(yōu)化，利用ADS中 的諧波平衡仿真軟件進行大信號仿真，并對版圖進行電磁場仿真。ADS仿真包括原理圖仿真和版圖仿真，在原理圖仿真中，取得電路各個元件的初值，并按照設(shè)計 目標進行優(yōu)化，但是原理圖仿真只考慮了有源器件、金屬帶線等器件的獨立測試模型，并未考慮版圖中器件之間的相互耦合，得到的元件值與實際情況是有差距的。 為了精簡單片集成電路面積，器件間距接近單倍線距，必須考慮線間耦合對放大器性能的影響，因此，使用2.5D版圖仿真工具MOMENTUM，采用矩量法對 電路的線間耦合及層間耦合進行了電磁場仿真。

圖6 功率放大器的仿真及測試結(jié)果

圖6中的虛線是經(jīng)過優(yōu)化之后的放大器版圖電磁場仿真結(jié)果，實線為測試結(jié)果。由圖中可知增益控制范圍為35 dB，1 dB壓縮點輸出功率P_{o(1 dB)}在頻帶內(nèi)都大于33 dBm，功率附加效率ηPAE大于30%。本文設(shè)計的帶增益控制功能的功率放大器單片集成電路采用GaAs工藝進行流片驗證，并進行載體測試，單片集成電路的安裝采用裝架和鍵合工藝，安裝完成的載體如圖7所示。分析仿真和實測結(jié)果，增益變化曲線在V_c為0，－0.2，－0.4和－0.6V吻合得較好，在V_c為 －0.8V和－1V時有一定的偏差，實測的增益比仿真要低2～4dB，原因可能是當FET的柵壓偏置在－0.8V和－1V時，比較接近夾斷區(qū)，模型跨導(dǎo)的 擬合準確性較差，實際該偏置下的跨導(dǎo)比模型的擬合值要低。1dB壓縮點輸出功率和功率附加效率的實測曲線和仿真曲線吻合得較好，該兩項指標都是在V_c=－0.6V時進行測試的，此時放大器工作在飽和區(qū)，模型擬合值在該區(qū)域比較接近實際值，所以該兩項指標與仿真結(jié)果吻合得較好。

圖7 載體安裝完成圖

4 結(jié)論

在帶增益控制功能的單片集成電路功率放大器設(shè)計中，本文分析了增益控制電路原理、增益控制對功率放大器指標的影響;使用電磁場仿真工具，在保證電路性能基礎(chǔ) 上精簡版圖面積，極大地降低了單片集成電路成本;通過流片和測試，驗證了單片集成電路設(shè)計方法和思路的正確性和可行性;在不增加功率放大器單片集成電路面 積和降低性能的情況下加入了增益控制功能，降低了成本，在衛(wèi)星通信和數(shù)字微波通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。