WLAN設(shè)計(jì)方案中開關(guān)模式GaAs功率放大器的線性化技術(shù)

高速/高頻混合信號(hào)半導(dǎo)體工藝技術(shù)的最新發(fā)展促成了完全集成的無線LAN(WLAN)發(fā)射器的問世，尤其是采用計(jì)算發(fā)生調(diào)制技術(shù)的發(fā)射器。全集成發(fā)射器與計(jì)算發(fā)生調(diào)制技術(shù)的結(jié)合又推動(dòng)了高效率開關(guān)模式功率放大器在先進(jìn)調(diào)制方案中的應(yīng)用，這種應(yīng)用在以前認(rèn)為是不適宜的。這一發(fā)展為“用非線性器件實(shí)現(xiàn)線性放大(LINC)”功率放大器架構(gòu)提供了一顯身手的舞臺(tái)，該架構(gòu)能夠在高數(shù)據(jù)速率的WLAN應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最高的效率、輸出功率和性能。

基于LINC的功率放大器架構(gòu)將開關(guān)模式功率放大器與附加計(jì)算引擎的使用結(jié)合起來，以放大具有相位調(diào)制和幅度調(diào)制的信號(hào)，如正交幅度調(diào)制(QAM)和多載波正交頻分多路復(fù)用技術(shù)(OFDM)。多載波調(diào)制方案(如OFDM)對(duì)收發(fā)器的模擬RF部分有嚴(yán)格的線性要求。對(duì)收發(fā)器中的功率放大器而言，由于相應(yīng)的高輸出功率水平要求，這一嚴(yán)格的線性度要求就顯得更加苛刻?；旌闲盘?hào)IC出現(xiàn)以后，便可在基于附加的計(jì)算引擎，將集成線性化技術(shù)用于功率放大器。

上面所提到的是將RF與計(jì)算電路集成在單個(gè)CMOS(或Bi-CMOS)芯片中。與之不同，基于外部砷化鎵(GaAs)的功率放大器具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。本文將探討?yīng)毩aAs功率放大器相對(duì)于集成硅方案的好處，之后將介紹三類GaAs開關(guān)模式放大器，通過功率放大器的配套CMOS(或Bi-CMOS)收發(fā)器芯片中適當(dāng)?shù)腖INC計(jì)算電路，它們可與先進(jìn)的調(diào)制方案(如多載波調(diào)制)配合使用。本文還提供了工作于5GHz的F類開關(guān)模式功率放大器的性能仿真。

GaAs功率放大器優(yōu)點(diǎn)分析

盡管硅CMOS功率放大器對(duì)全集成發(fā)射器似乎很有吸引力，但外部GaAs功率放大器除具有襯底隔離之外，還提供其它一些顯著優(yōu)點(diǎn)。

GaAs放大器最大的優(yōu)點(diǎn)是具有更高的載波移動(dòng)性，因而可獲得比硅更高的ft和fmax ，并允許在任何特定頻率上使用具有更高擊穿電壓、外形更大的器件。這進(jìn)而又允許在任何給定的輸出功率下使用更高的偏置電壓及相應(yīng)更低的電流。低電流可減少源極和漏極寄生電容，這類寄生電容限定了高工作頻率，為開關(guān)模式放大器帶來了很大問題。

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GaAs的跨導(dǎo)gm也比硅CMOS要高得多。跨導(dǎo)越大，放大器每階獲得的增益就越大。這樣，對(duì)于任何特定的增益要求就可使用更少的階數(shù)，從而減小裸片面積并降低系統(tǒng)整體成本。與硅CMOS器件相比，GaAs pHEMT器件的輸入阻抗匹配要更容易，因此可降低多余的不匹配功率損耗，減小無源匹配電路所需的裸片面積，并進(jìn)一步降低整體成本。GaAs工藝所用的金屬層(金)比硅CMOS所用的金屬層(鋁和銅)具有更低的阻抗。因此，無源匹配電路中的螺旋形電感和MIM電容可提供更高的Qs和更低的損耗。與硅相比，這種GaAs半絕緣襯底也是這種電感及MIM電容具有更高Qs和更低損耗的一個(gè)原因。最后，這種半絕緣襯底還可減小晶體管的源極和漏極寄生電容，從而使GaAs器件在給定的頻率下具有較硅CMOS更高的效率。

綜合上述優(yōu)點(diǎn)，可以清楚地看出GaAs工藝在微波功率放大器的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。除了獨(dú)立的線性放大器外，GaAs在開關(guān)模式功率放大器的應(yīng)用中也體現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。由于在配套的CMOS(或BiCMOS)收發(fā)器芯片中使用了適當(dāng)?shù)腖INC計(jì)算引擎，這些開關(guān)模式功率放大器對(duì)高速數(shù)據(jù)速率應(yīng)用中的高級(jí)調(diào)制方案而言很有吸引力。

開關(guān)模式功率放大器

在WLAN設(shè)計(jì)中，有六類GaAs功率放大器：A類、B類、A/B類、D類、E類 及F類。開關(guān)模式D、E和F類放大器比其同類線性A、B或A/B類放大器具有更高的效率，但輸出阻抗很低或是時(shí)變的。這時(shí)，如果輸出端子上有壓降，則可通過限制(或不允許)電流通過有源器件來獲得高效率。如果有電流流過該器件，則可通過限制(或不允許)其輸出端子上的電壓來提高效率。再來仔細(xì)看看D、E和F類放大器。圖1所示為一個(gè)D類放大器的變壓器耦合電壓開關(guān)配置，其電壓及電流波形如圖2所示。