如何使用GaAs工艺技术实现可变增益功率放大器MMIC的设计

　　根据电压控制增益电路理论及放大器设计原理，设计制作了一种基于 GaAs 工艺的可变增益功率放大器单片微波集成电路（ MMIC）。采用电路仿真 ADS 软件进行了原理图及版图仿真，研究了增益控制电路在放大器中的位置对性能的影响。最终实现了在 6～9GHz 频率范围内，1 dB 压缩点输出功率大于 33 dBm，当控制电压在－1～0 V 之间变化时，放大器的增益在 5～ 40dB 之间变化，增益控制范围达到了 35 dB。将功率放大器与增益控制电路制作在同一个单片集成电路上，面积仅为 3.5 mm×2.3 mm，具有灵活易用、集成度高和成本低的特点，可广泛应用于卫星通信和数字微波通信等领域。甚小口径终端（verysmall aperture terminal，VSAT）和数字微波通信（也称 P2P 通信）系统为商用微波无线信息传输系统，具有覆盖范围大、集成化程度高、对所有地点提供相同的业务种类和服容性好、扩容成本低、所需时间短、通信质量好和安装方便的特点。功率放大器是微波无线信息传输系统的核心元器件，其性能直接影响发射机的作用半径、线性特性以及整个系统的效率，它通常是系统中成本最高的元器件。当代微波无线信息传输系统小型化的趋势越来越明显，这就要求元器件的集成度越来越高。国外开展商用单片功率放大器研究较早，其中日本 Eudyna 公司的产品性能较佳，占领的市场份额最大，美国 Hittite 公司和 Triquint 公司也在近两年推出了相应的产品。中国在 GaAs 材料生长和器件研制方面也积极开展了相关的研究工作。由于该功率放大器应用于商用领域，所以对其性能和成本都有较高的要求，本文通过电路设计，将常规功率放大器的功能进行扩展，增加增益控制功能，能够在实现系统小型化的同时，降低成本，同时，不会影响功率放大器的输出功率和效率等相关指标。本文采用目前制作微波单片集成电路成熟的 GaAs 赝高电子迁移率晶体管（ pseudomorphic high electron mobility transistor，PHEMT）工艺进行多功能功率放大器的研制，其工艺稳定，成品率高，在缩短研发周期和降低成本方面具有不可替代的地位。本文研制的多功能功率放大器单片集成电路的面积与同样指标的功率放大器面积一样，约为 8 mm2，传统室外单元的电压控制可变衰减器（voltage variable attenuator，VVA）的面积约为 1.7 mm2，可见文中的多功能功率放大器将芯片面积节省了 17.5%，有利于系统的小型化和成本的降低。

　　1 增益控制电路的设计原理

　　增益控制电路的作用是通过改变控制电压，达到改变放大器增益的目的。增益控制电路在放大器中的位置至关重要，若放置于放大器的末级，会由于自身的损耗而影响输出功率，放置于中间，会使放大器的中间级因无法将末级推饱和，从而影响效率。通过以上分析，将增益控制电路放置于放大器的第一级。增益控制电路的原理如图 1 所示，由两个场效应晶体管（field effect transistor，FET）组成，FET1 的漏极与 FET2 的源极连接在一起，射频信号从 FET1 的栅极输入，从 FET2 的漏极输出。图 1 中：Vc 为控制电压;Vgs 为栅压;Vdd 为漏压;V1 表示两个 FET 连接点的电压;Ids 为 FET1 和 FET2 的漏极到源极的电流，图 1 中 FET1 的源极和 FET2 的漏极连接于同一节点，所以 Ids 同时流经 FET1 和 FET2。该电路通过改变 Vc 的电压值来改变增益。

　　FET 工作在饱和区时的跨导 gm，Ids 与 Vgs 的关系如图 2 所示。FET1 的栅压 Vgs 保持不变，则源漏电阻值的变化不会很大，在工作点的阻抗约为 10Ω，由欧姆定律可知，V1 的电压值由 Ids 决定。FET2 的漏压 Vds 保持不变，Vc 变化时，FET2 的栅压相应变化，由图 2 的曲线可以看出，当栅压变化时，gm 会产生变化，FET2 的放大倍数则相应改变。同时，FET2 的栅压变化时，根据图 3，Ids 会有较大的变化。根据之前的分析，Ids 变化时，V1 的值也会相应产生较大的变化，当 V1 小于 1V 时，FET1 工作在图 3 中的线性区，增益受漏压影响较大，所以当 V1 变化时，FET1 的放大倍数也会相应变化。这样，FET1 和 FET2 的增益都受 Vc 的控制，其共同的增益变化量成为功率放大器的增益变化范围。