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全集成式MMIC和混合封装式放大器两种设计方案分析

电子设计 来源:郭婷 作者:电子设计 2018-12-26 08:01 次阅读

混合分立式功率放大器设计

电路设计

我们前面展示的分布式放大器技术对MMIC效果明显。然而,对于混合分立式设计来说,要实现多级是十分困难的。我们选择采用一种桥接T拓扑结构,将单个晶体管的输入端匹配至50Ω。我们选择了合适的晶体管的尺寸,以便输出端的50Ω端口与其目标负载线完好匹配,因此,放大器输出端可以不匹配。我们选择了一款周长为1.24mm的晶体管。另外,借助周长为2.48mm的晶体管也可实现不错的负载线,其一般具有更高的效率和更低的功率密度。要进一步优化性能,可以在电路板级进行更多匹配。MMIC成品如图4所示。芯片的最终尺寸为1.277mm ×1.06mm。用周长为2.48mm的晶体管(本文中未讨论)打造的另一款芯片的尺寸为1.277mm ×1.305mm(大23%)。

图4:用于混合分立式功率放大器解决方案的MMIC成品图(左)和原理图(右)。

桥接T拓扑结构是Zobel网络的修改版,可以在输入端提供恒定阻抗。用于匹配晶体管输入端的拓扑结构如图4所示。该电路的匹配设计可在30MHz至2700MHz范围内提供良好的回波损耗性能。桥接T匹配的不足之处在于,网络损耗较大。然而,在这些低频下,晶体管拥有较大的增益,可以平衡掉这些损耗,从而使芯片在各种频率下均能无条件保持稳定。因此,对于该工作频率,桥接T是一种非常合适的选择,不会影响性能。

桥接T网络的低频性能在很大程度上取决于并联网络中的阻抗。为了在低频下实现实部阻抗,需要使用一个较大的电容。为此,我们用一个焊盘连接一个片外电容(见图4中的外部电容)。由于MMIC的输入端已匹配至50 Ω,因此,输入网络不需要进行其他匹配。此外,器件在尺寸设计上已在输出端提供近50 Ω的负载线,因此,输出匹配网络只需要一个串联L并联C网络以保障高频性能,然后,在低频下提供50Ω的负载阻抗以保障宽带性能。输入和输出匹配网络都采用了宽带偏置网络,并部署在一块4”×3”的应用板上。

混合式放大器的测量值

我们在一块用Rogers 4350B制成的电路板上对最终器件进行了测试。50Ω匹配输入表现良好,能在40MHz至2.7GHz的范围内实现10dB的回波损耗,在低至30MHz的频率范围内实现7dB的回波损耗(图5)。器件在低频下实现12dB的增益,在高频下实现17dB的增益。

在32V和脉冲条件下,放大器实现了5W的典型输出功率(或者,4W/mm的功率密度),在1至2.7GHz范围内实现45%的功率附加效率(图6)。我们选择了脉冲而非CW工作模式,因为评估板限制了总功耗。另外,我们在1至2.7GHz范围内对数据进行了测量,因为我们无法在1GHz以下构建脉冲试验台。

讨论

结果表明,两款放大器均能在30~2700 MHz范围内工作,二者具有相似的输出功率密度。完全匹配的MMIC在器件尺寸以及输出功率的选择方面表现出较大的灵活性,但其代价也比较大。另一方面,我们展示的混合式解决方案具有较为独特,器件尺寸固定,因此对性能形成了限制;较小或大得多的晶体管都无法在整个带宽范围内取得良好效果。但是,由于芯片尺寸非常小(为MMIC的1/4,但功率仅少一半),因此其代价更能令人接受。另外,最多可以使用两倍周长的晶体管,可实现类似MMIC的性能,芯片尺寸增幅也不大(23%),并且混合式解决方案可使用外部元件进行调整,以在特定频段范围内实现更加优化的性能。然而,MMIC解决方案由于要处理的寄生电容较少,所以可以实现卓越的性能。归根结底,如果系统侧重于打造一种低成本的解决方案,并且可以牺牲一定的性能,则混合式解决方案是更合适的选择。然而,如果系统要求以较高的代价提供特定的性能,则MMIC解决方案是更好的选择。尽管如此,实践表明,两种设计技术都是宽带条件下的有效选择。

全集成式MMIC和混合封装式放大器两种设计方案分析

图5:混合MMIC分立式功率放大器的小信号S参数实测值。

全集成式MMIC和混合封装式放大器两种设计方案分析

图6:混合式解决方案的实测Pout和漏极效率。放大器驱动至3dB压缩点,所用脉冲宽度为100us,占空比为20%。

结论

本文介绍了两种不同的放大器平台,即全集成式MMIC和混合封装式放大器,两者均可在30 ~2700MHz范围内实现领先的性能。其实现方法是在MMIC上运用行波技术,在混合式设计中,则是运用桥接T拓扑结构使晶体管匹配至50Ω。两种技术各有优点,在性能和成本方面各有折衷。

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