如何使用GaAs工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆婀β史糯笃鱉MIC的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)電壓控制增益電路理論及放大器設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)制作了一種基于 GaAs 工藝的可變?cè)鲆?a href='http://www.ttokpm.com/tags/功率放大器/' target='_blank' class='arckwlink_none'>功率放大器單片微波集成電路（ MMIC）。采用電路仿真 ADS 軟件進(jìn)行了原理圖及版圖仿真，研究了增益控制電路在放大器中的位置對(duì)性能的影響。最終實(shí)現(xiàn)了在 6～9GHz 頻率范圍內(nèi)，1 dB 壓縮點(diǎn)輸出功率大于 33 dBm，當(dāng)控制電壓在－1～0 V 之間變化時(shí)，放大器的增益在 5～ 40dB 之間變化，增益控制范圍達(dá)到了 35 dB。將功率放大器與增益控制電路制作在同一個(gè)單片集成電路上，面積僅為 3.5 mm×2.3 mm，具有靈活易用、集成度高和成本低的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信和數(shù)字微波通信等領(lǐng)域。甚小口徑終端（verysmall aperture terminal，VSAT）和數(shù)字微波通信（也稱 P2P 通信）系統(tǒng)為商用微波無線信息傳輸系統(tǒng)，具有覆蓋范圍大、集成化程度高、對(duì)所有地點(diǎn)提供相同的業(yè)務(wù)種類和服容性好、擴(kuò)容成本低、所需時(shí)間短、通信質(zhì)量好和安裝方便的特點(diǎn)。功率放大器是微波無線信息傳輸系統(tǒng)的核心元器件，其性能直接影響發(fā)射機(jī)的作用半徑、線性特性以及整個(gè)系統(tǒng)的效率，它通常是系統(tǒng)中成本最高的元器件。當(dāng)代微波無線信息傳輸系統(tǒng)小型化的趨勢越來越明顯，這就要求元器件的集成度越來越高。國外開展商用單片功率放大器研究較早，其中日本 Eudyna 公司的產(chǎn)品性能較佳，占領(lǐng)的市場份額最大，美國 Hittite 公司和 Triquint 公司也在近兩年推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。中國在 GaAs 材料生長和器件研制方面也積極開展了相關(guān)的研究工作。由于該功率放大器應(yīng)用于商用領(lǐng)域，所以對(duì)其性能和成本都有較高的要求，本文通過電路設(shè)計(jì)，將常規(guī)功率放大器的功能進(jìn)行擴(kuò)展，增加增益控制功能，能夠在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化的同時(shí)，降低成本，同時(shí)，不會(huì)影響功率放大器的輸出功率和效率等相關(guān)指標(biāo)。本文采用目前制作微波單片集成電路成熟的 GaAs 贗高電子遷移率晶體管（ pseudomorphic high electron mobility transistor，PHEMT）工藝進(jìn)行多功能功率放大器的研制，其工藝穩(wěn)定，成品率高，在縮短研發(fā)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單片集成電路的面積與同樣指標(biāo)的功率放大器面積一樣，約為 8 mm2，傳統(tǒng)室外單元的電壓控制可變衰減器（voltage variable attenuator，VVA）的面積約為 1.7 mm2，可見文中的多功能功率放大器將芯片面積節(jié)省了 17.5%，有利于系統(tǒng)的小型化和成本的降低。

　　1 增益控制電路的設(shè)計(jì)原理

　　增益控制電路的作用是通過改變控制電壓，達(dá)到改變放大器增益的目的。增益控制電路在放大器中的位置至關(guān)重要，若放置于放大器的末級(jí)，會(huì)由于自身的損耗而影響輸出功率，放置于中間，會(huì)使放大器的中間級(jí)因無法將末級(jí)推飽和，從而影響效率。通過以上分析，將增益控制電路放置于放大器的第一級(jí)。增益控制電路的原理如圖 1 所示，由兩個(gè)場效應(yīng)晶體管（field effect transistor，F(xiàn)ET）組成，F(xiàn)ET1 的漏極與 FET2 的源極連接在一起，射頻信號(hào)從 FET1 的柵極輸入，從 FET2 的漏極輸出。圖 1 中：Vc 為控制電壓;Vgs 為柵壓;Vdd 為漏壓;V1 表示兩個(gè) FET 連接點(diǎn)的電壓;Ids 為 FET1 和 FET2 的漏極到源極的電流，圖 1 中 FET1 的源極和 FET2 的漏極連接于同一節(jié)點(diǎn)，所以 Ids 同時(shí)流經(jīng) FET1 和 FET2。該電路通過改變 Vc 的電壓值來改變?cè)鲆妗?/p>

　　FET 工作在飽和區(qū)時(shí)的跨導(dǎo) gm，Ids 與 Vgs 的關(guān)系如圖 2 所示。FET1 的柵壓 Vgs 保持不變，則源漏電阻值的變化不會(huì)很大，在工作點(diǎn)的阻抗約為 10Ω，由歐姆定律可知，V1 的電壓值由 Ids 決定。FET2 的漏壓 Vds 保持不變，Vc 變化時(shí)，F(xiàn)ET2 的柵壓相應(yīng)變化，由圖 2 的曲線可以看出，當(dāng)柵壓變化時(shí)，gm 會(huì)產(chǎn)生變化，F(xiàn)ET2 的放大倍數(shù)則相應(yīng)改變。同時(shí)，F(xiàn)ET2 的柵壓變化時(shí)，根據(jù)圖 3，Ids 會(huì)有較大的變化。根據(jù)之前的分析，Ids 變化時(shí)，V1 的值也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生較大的變化，當(dāng) V1 小于 1V 時(shí)，F(xiàn)ET1 工作在圖 3 中的線性區(qū)，增益受漏壓影響較大，所以當(dāng) V1 變化時(shí)，F(xiàn)ET1 的放大倍數(shù)也會(huì)相應(yīng)變化。這樣，F(xiàn)ET1 和 FET2 的增益都受 Vc 的控制，其共同的增益變化量成為功率放大器的增益變化范圍。