一种带功率检测和自适应偏置的CDMA功率放大器

2011年2月RESEARCH

固体电子学研究与进展

&PROGRESSOFSSE

Vol.31,No.1Feb.,2011

射频与微波

一种带功率检测和自适应偏置的CDMA功率放大器

梁　聪

1,2

　滑育楠

1,2

　胡善文

1,2󰀁

　张晓东　张海涛　高　怀

332

(1东南大学苏州研究院高频高功率器件与集成技术研究中心,江苏,苏州,215123)

(2东南大学国家ASIC系统工程技术研究中心,南京,210096)

(3苏州工业园区教育投资发展有限公司&苏州英诺迅科技有限公司射频功率器件及电路技术中心,江苏,苏州,215123)

2010-02-01收稿,2010-04-26收改稿

摘要:设计了一款包含功率检测和自适应线性化偏置电路的CDMA功率放大器,功率检测器能根据输入信号的大小来调整功率管的偏置点,大幅提升低功率输出时的效率,从而提升系统整体效率;自适应线性化偏置能有效抑制功率放大器的增益压缩和相位失真,改善其线性度。采用2󰀁mInGaP/GaAsHBT晶体管工艺成功流片,测试结果表明,与普通功率放大器相比较,当输出功率小于10dBm时,新型功率放大器的集电极电流大幅降低,系统整

体效率提高了2.2倍;1dB增益压缩点由30dBm增加到32dBm;当输出功率为28dBm时,ACPR和ALTR分别改善了5dB和12dB,IM3改善了11dB。

关键词:功率检测;自适应偏置;效率;线性度

中图分类号:TN722.7+5　　文献标识码:A　　文章编号:1000-3819(2011)01-0081-04

ACDMAPowerAmplifierwithaPowerDetectorand

anAdaptiveLinearBiasCircuit

LIANGCong　HUAYunan　HUShanwen　ZHANGXiaodong　ZHANGHaitao　GAOHuai

(1HighFrequency&HighPowerDeviceandIntegratedTechnologyResearchCenter,ResearchInstituteof

SoutheastUniversityatSuzhou,Suzhou,Jiangsu,215123,CHN)

(2NationalASICSystemEngineeringResearchCenter,SoutheastUniversity,Nanjing,210096,CHN)

(3JointRFPowerDevice&CircuitTechnologyCenter,SuzhouSIPEducationDevelopmentandInvestmentCo.,Ltd&SuzhouInnotionTechCo.,Ltd,Suzhou,Jiangsu,215123,CHN)

1,2

1,2

1,2

3

3

2

Abstract:ACDMApoweramplifierwithapowerdetectorandanadaptivelinearcircuitisdesigned.Thepowerdetectorisusedtoadjustthebiaspointaccordingtotheinputsignalampli-tude,whichincreasestheefficiencywhentheoutputpowerislowandfurthermoreincreasesthesystemtotalefficiency.Theadaptivelinearcircuitcanefficientlyimprovethelinearitybysup-pressinggaincompressionandphasedistortionofthepoweramplifier.Measurementresultsofthisnovelamplifierfabricatedbasedon2󰀁mInGaP/GaAsHBTtechnologyshowthat:thecollec-torcurrentisconsiderablyreducedwhentheoutputpowerislessthan10dBmandthesystemto-talefficiencyreachesupto2.2timescomparedwiththeconventionalamplifiers.The1dBcom-pressionpointrisesupfrom30dBmto32dBm.TheACPR,ALTRandIM3areimprovedby5dB,12dBand11dBrespectivelywhentheoutputpoweris28dBm.

Keywords:powerdetector;adaptivebias;efficiency;linearity

EEACC:1220;2570B;8140

󰀁联系作者:E-mail:selwyn-hu@126.com82

　　　　　　固　体　电　子　学　研　究　与　进　展　　　　　　　　　　　　　　31卷　

引　　言

CDMA以其本身所具有的特点及优越性,广泛应用于数字移动通信和个人通信系统中。CDMA技术不仅通话效果好,而且辐射比较低。另外,它在提供无线数据通信上具有很大的优势,既可传输语音、文字、图像,又能高速上网,这就对应用于CDMA系统的射频功率放大器提出了较高的要求,即同时具有高效率和高线性度。一般功率放大器在最大功率输出时具有高效率,而输出功率回退时效率则急剧下降,但此时线性度很好。图1所示为CDMA手机传输功率分布图,可以看出,功率放大器常常工作在功率回退状态,因此,CDMA系统的整体效率很大程度上由低输出功率时的效率决定[1]。目前,已经提出了一些技术来提高系统整体效率,例如:ClassE功率放大器、Doherty功率放大器、包络消除与恢复[4]、开关控制和DC/DC转换器[1]。但是这些技术受到线性度优劣、带宽大小、数字电路设计复杂度以及PAE连续性的限制。同时,考虑到线性度的问题,虽然前馈、负反馈和预失真等线性化技术可以改善功率放大器的线性度,但会导致电路结构复杂或效率较低[5-7]。因此,很难得到线性度好而整体效率又高的功率放大器。

[2]

[3]

图2　具有功率检测和自适应线性化偏置的功率放大器Fig.2　Topologyofthepoweramplifierwithapower

detectorandanadaptivelinearbiascircuit

1　功率检测器

功率检测器电路如图3所示,其中C1为隔直电容,R1控制进入功率检测器的射频信号大小,二极

管D2为检波管,C2滤除高频分量,从而在R2上产生直流电压,其余元件共同构成了D2的偏置电路。随着输入功率的增加,由于二极管的整流特性,流入D2的电流会增加,C2将其中的交流成分短接到地,从而在输出端得到随输入功率增加而增大的直流电压。图4为功率检测器输出直流电压Vout随输入功率Pin的变化仿真曲线,可以看出Vout随着输入功率的增加而增大。

图3　功率检测器

Fig.3　Schematicofthepowerdetector

图1　CDMA系统传输功率分布图

Fig.1　Probabilitydistributionoftransmittedpower

levelforarepresentativeCDMAhandset

文中设计了一款应用于CDMA系统的包含功率检测器和自适应线性化偏置电路的新型功率放大器,其拓扑结构如图2所示。该功率检测器结构简单,可根据检测到的输入功率的大小自动调整功率管的偏置电流,以提高功率管低输出功率时的效率,从而提高功率放大器的整体效率。同时,自适应线性化偏置电路能够提高功率放大器的线性度,以满足CDMA系统对线性度的要求。该功率检测器的输出端通过一个电阻接到功率管的基极为功率管提供可变的基极电流,当输入功图4　功率检测器输出直流电压随输入功率的变化功率

Fig.4　Detectorvoltageversusinputpower

　1期　　　　　　　　梁　聪等:一种带功率检测和自适应偏置的CDMA功率放大器　

83

率较小时,功率检测器提供的基极电流小,功率放大器的偏置点低,效率得到提高;当输入功率较大时,功率检测器提供的基极电流大,功率放大器偏置点高,线性得到改善。

射频信号的变化引起的直流电压的改变量,即电压灵敏度(󰀁v),并不是越大越好,根据功率管的具体情况,需要不同灵敏度的功率检测器,这时可以通过调节偏置电路来控制󰀁v,

󰀁v=

1Rj

󰀁

2nVT1+Rj/R2

(1)(2)

[8]

为一恒定值。

R10、C3与Q5的基-射结形成自适应线性化电路:由图5易知,Q3基极对地电压为:

VB3=VBE5+VR10+VBE6

[9]

(4)

其中VBE5、VBE6分别为Q5基-射结直流电压,VR10为电阻R10上压降,VB3为一恒定值。当输入功率增大时,由于功率管的特性,VBE6会下降,此时,经Q5基-射结二极管整流后的直流电流增大,VBE5降低,补偿了VBE6的下降,增大的直流电流同时增强了Q6的驱动能力,抑制了增益压缩。在大信号条件下,Q6的基-射结电容随输入功率增大而增大,而降低的VBE5使得Q5基-射结电容降低,从而补偿了Q6电容的变化,抑制了相位失真。

Rj=nVT/(I0+IS)

其中,n为逼近因子,其大小取决于二极管的材料和结构,VT为热电压,Rj为二极管的结电阻,I0为二极管偏置电流,IS为二极管饱和电流。从(1)、(2)式看出,可以通过调节I0的大小来调整Rj的大小,从而控制󰀁v。

另外,由于二极管结电压随温度升高而减小,功率检测器输出端电压(Vout)随温度变化的改变量也是必须考虑的问题,由图3易知,

Vout=VBE1+VD1+VR4-VBE2-VR5-VD2

(3)

其中,VBE1、VBE2分别为三极管Q1、Q2的基-射结电压,VD1、VD2、VR4、VR5分别为二极管D1、D2以及电阻R4、R5上的压降,当温度升高使得VBE2、VD2的压降减小时,也会使得具有同样特性的VBE1、VD1上的压降减小,从而使输出端的电压Vout保持不变。

3　测试结果

基于2󰀁mInGaP/GaAs异质结晶体管工艺分

别设计了采用功率检测器和自适应线性化偏置的功率放大器(Version1)以及采用普通电流镜偏置的功率放大器(Version2),工作频率为1880MHz。其中Version1芯片面积为1mm×0.8mm,如图6所示。为了满足输出功率的需要,第一级与第二级之间采用了两级低通匹配网络,同时为了改善互调失真,在功率放大器的输出端和匹配电路间加入一个串联的LC谐振网络滤除二次谐波,输出匹配电路在PCB板上由传输线和电容构成。此外,为了比较两款功率放大器的性能,在第二款功率放大器的输出端接上同样的LC谐振网络和输出匹配电路。

2　自适应线性化偏置电路

自适应线性化偏置电路如图5所示,其中电压源Vreg通过R6、R7、R8为Q3提供直流偏置,Q5镜像Q3的电流,为功率管Q6提供直流偏置。Q4与Q3形成反馈环,可以抑制由于电源电压或温度变化等因素造成的Q3基极偏置电压VB3的变化,即VB3基本

图6　采用了功率检测器和自适应线性化偏置的功率放

大器的芯片照片

Fig.6　Photoofthepoweramplifierwithapowerde-tectorandanadaptivelinearbiascircuit

两款功率放大器的功率增益GP和集电极电流ICC随输出功率Pout变化的曲线如图7所示,其中Ver-图5　自适应线性化偏置电路

Fig.5　Schematicoftheadaptivebiascircuitsion1的1dB增益压缩点为32dBm,Version2的1dB增益压缩点为30dBm;Version1功率管的集电84

　　　　　　固　体　电　子　学　研　究　与　进　展　　　　　　　　　　　　　　31卷　

极电流在小输出功率时明显低于Version2,当输出功率小于10dBm时功率放大器的整体效率提高了2.2倍。

应线性化偏置的功率放大器的整体效率和线性度都得到了改善。

4　结　　论

为了达到CDMA系统对功率放大器高效率和高线性度的要求,设计了一个带功率检测器和自适应线性化偏置的功率放大器,其工作频率为1880MHz。在该功率放大器中,功率检测器能检测输入功率并根据输入功率的变化调整功率管的集电极电流,从而提高功率放大器的整体效率,同时引入的插入损耗很小;自适应线性化偏置能抑制功率管基极电压的下

图7　功率放大器的功率增益和集电极电流随输出功率

的变化

Fig.7　Powergainandcollectorcurrentversusoutput

power

降,增强功率管的驱动能力,扩展1dB增益压缩点,减小相位失真,改善功率放大器的线性度。与普通功率放大器相比,在输出功率小于10dBm时,此新型功率放大器的集电极电流大幅降低,整体效率提高2.2倍;1dB增益压缩点由30dBm增加到32dBm;在输出功率为28dBm时,ACPR和ALTR分别改善了5dB和12dB,IM3改善了11dB。

参

考

文

献

两款放大器使用CDMA信号测试得到临近信道功率比ACPR和ALTR随输出功率Pout变化的曲线,如图8所示。可以看出,在输出功率为28dBm处,Version1较Version2的ACPR和ALTR分别提高了5dB和12dB。图9所示为两款功率放大器三阶互调量(IM3)的测试图,可以看出Version1较Version2提高了约11dB。

以上测试结果表明:采用了功率检测器和自适

[1]　AsbeckP,HaningtonG,ChenPF,eta1.Efficiency

andlinearityimprovementinpoweramplifiersforwirelesscommunications[C].IEEEGalliumArsenideIntegratedCircuit(GaAsIC)Symposium,1998:15-18.

[2]　WangN,PengX,YousefzadehV,eta1.Linearityof

X-bandclass-EpoweramplifiersinEERoperation[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2005,53(3):1096-1102.

[3]　SrirattanaN,RaghavanA,HeoD,eta1.Analysis

anddesignofahigh-efficiencymultistageDohertypoweramplifierforwirelesscommunications[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTech-niques,2004,52(5):1455-1463

[4]　KahnL.Single-sidedtransmissionbyenvelopeelimi-nationandrestoration.ProcIRE,1952:803-806[5]　LaroseCL,GhannouchiFM.Optimizationoffeed-forwardamplifierpowerefficiencyonthebasisofdrivestatistics[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2003,51(1):41-54.[6]　KazuhisaYamauchi,KazutomiMori,OsamiIshida,

etal.Amicrowaveminiaturizedlinearizerusingapar-alleldiodewithabiasfeedresistance[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,

图8　ACPR和ALTR随输出功率的变化Fig.8　ACPRandALTRversusoutputpower

图9　IM3随输出功率的变化Fig.9　IM3versusoutputpower1997,45(12):2431-2434.

(下转第89页)　1期　　　　　　　　　　　　　胡佳贤等:200V高压大电流VDMOS的研制　

89

参考文献

[1]　陈星弼.功率MOSFET与高压集成电路[M].南京:

东南大学出版社,1990

[2]　刘洪军,傅义珠,李相光.530～650MHz20WCWSi-VDMOS场效应晶体管[J].固体电子学研究与进展,2009,29(2):192-194.

[3]　陈龙,沈克强.VDMOS场效应晶体管的研究与进展

[J].电子器件,2006,29(1):290-295.

[4]　HUC.Optimumdopingprofileforminimumohmic

图9　全芯片俯视图Fig.9　Topviewofthechip

resistanceandhighbreakdownvoltage[J].IEEETransElectrDev,1979,26(3):243-244.

[5]　MARIOS,DOMENICOF,SalvatoreM.MDmesh:

innovativetechnologyforhighvoltagepowerMOS-68.FETs[C].ISPSD2000,Toulouse,2000:65-[6]　PhilipsSemiconductors.Powersemiconductorappli-cations[R].1994:21-22.

[7]　ChenmingH,Min-HwaC,PatelVM.Optimumde-signofpowerMOSFET′s[J].IEEETransactionson

1700.ElectronDevices,1984,31:1693-胡佳贤(HUJiaxian)　男,1987年5月生,2009年本科毕业于浙江大学微电子

图10　芯片ESD结构俯视图

Fig.10　TopviewoftheESDstructureonthechip

与固体电子学专业,现在浙江大学微电子与固体电子学专业攻读硕士学位,目前主要研究方向为功率器件及智能功率IC。

4　结　　论

采用JFET注入和浅P-Body方法降低导通电

阻,提高电流密度,采用N掺杂穿通型硅外延材料优化导通电阻和击穿电压,研制出了耐压200V,导通电流达到40A的VDMOS晶体管,其特征导通电阻1.2󰀁・mm2,ESDHBM能力大于6kV,芯片面积小于31.25mm2,可采用TO220封装。(上接第84页)

[7]　WangDawn,WangXinwei,LiPing,eta1.Recent

advancesinCDMApoweramplifiermoduledevelop-ment[C].IEEEICSICT,2004:1236-1241.

[8]　RadmaneshMatthewM.RadioFrequencyandMi-crowaveElectronicsIllustrated[M].PrenticeHall533.PTR,2006:522-[9]　NohYS,ParkCS.Anintelligentpoweramplifier

MMICusinganewadaptivebiascontrolcircuitforW-CDMAapplications[J].IEEEJournalofSolid-state970.Circuits,2004,39(6):967-高　怀(GAOHuai)　男,1961年生,江苏苏州人,东南大学博士生导师,IEEE高级会员,研究方向为高频高功率器件及单片微波集成电路设计。

梁　聪(LIANGCong)　男,1986年生,湖北荆州人,东南大学苏州研究院研究生,主要研究方向:单片微波集成电路设计。

韩　雁(HANYan)　女,1959年2月生,

浙江大学微电子与光电子所副所长,教授,博士生导师,主要研究方向为微电子集成电路设计、制造、测试,目前主要从事数模混合IC和高压功率IC方面的研究。