一种适用于功率放大器的InGaP/GaAs HBT预失真电路

胡善文，钱罕杰，孙晓红，张晓东，高 怀*

1.东南大学国家ASIC系统工程技术研究中心， 南京210096；

2.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；

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

功率放大器是现代无线通信收发器系统中非常重要的组成部分，功放特性的好坏直接影响整个通信系统的性能。随着第三代移动通讯技术的迅猛发展，改善功率放大器的线性度已成为无线通讯中一个极为重要的课题，也是近年来国内外研究的一个重点和热点。目前，常用的线性化技术包括：功率回退技术[1]、前馈技术[2]、负反馈技术[3]、预失真技术[4-5]等。功率回退技术是一种简单实用的传统技术，它是把功率较大的晶体管回退到一定的值作小功率使用来提高功放的线性度。该技术虽然实现简单，但大大降低了功放的利用率，在效率要求较高的功率放大系统中不太适用。前馈技术虽然可以很好地改善功放的线性度，但是采用开环电路实现，所有器件的特性随时间的变化不能被补偿，且电路结构复杂，成本较高。负反馈法可以控制功放输入输出阻抗，减小功放对电路元件特性变化的敏感性。预失真技术具有电路结构简单、电源效率高、成本低、易于高频和宽带应用。

本文采用具有串、并联负反馈网络的有源预失真电路作为功率放大器的输入级电路。通过调整负反馈网络来产生预失真电路的增益扩张及相位偏移，达到对功率放大器后级电路补偿的目的，以此提高整级功率放大器的线性度。

1 预失真电路

一般的功率放大器具有如图1所示的幅度调制(AM-AM)与相位调制(AM-PM)特性，将产生增益压缩与正的相位偏差。

图1 归一化后传统放大电路的功率增益与相位

本文提出的预失真电路如图2 所示。图中，RfCf与晶体管共同构成一个并联负反馈网络， RE与晶体管构成一个串联负反馈网络。并联负反馈网络使输入阻抗减小，而串联负反馈网络使输入阻抗增大，合理调整这两种负反馈网络的反馈系数易于获得宽带的输入匹配。此外，这两种负反馈网络使功率增益更加稳定。由下面的分析可知，此电路可获得增益扩张和负的相位偏差，可以补偿后级电路的增益压缩和正的相位偏差。

图2 共集电极预失真放大电路

2 电路分析

2.1 预失真技术原理分析

预失真技术主要是在功放的前端插入一个与功放的幅度与相位特性相反的预失真器，使得进入放大器的信号提前有一个失真，与功放的幅度与相位特性曲线叠加作用后，扩展电路的线性范围。其原理图如图3所示。

图3 预失真技术原理图

2.2 小信号分析

对该预失真放大电路进行小信号分析，其小信号等效电路如图4 所示。其中， β、Cπ、Rπ分别为晶体管的电流放大系数、发射结电容、发射结电阻， Zin是从信号源输入端看进去的阻抗。

图4 放大电路的小信号等效模型

由小信号模型可知

其中

把式(3)、(4)和(5)、 (6)分别代入式(1)、(2)中，整理可得

令Rπ→+∞，可得

其中

把式(8)、(9)和(10)、 (11)分别代入式(7)中，整理可得

可得

电路的功率增益满足

由式(14)可以看出，该预失真电路的功率增益与其输入阻抗成线性关系。分析式(12)可知，当工作频率ω大于某一定值时，预失真电路的输入阻抗的模值为一个常数，表明该预失真电路具有宽带匹配特性。分析式(13)可知，该预失真电路将产生负相位偏移，且与工作频率成反比关系。

3 电路仿真

基于Microwave Office软件对图3所示的预失真放大电路进行仿真，其归一化后的增益扩张与相位偏移曲线分别如图5、6所示。

图5 归一化后预失真电路的增益曲线

图6 归一化后预失真电路的相位偏移曲线

由图5与图6可以看出，本文设计的输入级电路能够产生增益扩张与负的相位偏移，可以起到补偿功放后级电路、提高功放线性度的作用。

4 设计与测量

采用该预失真电路作为功率放大器的输入级设计了一款功率放大器，其电路原理图如图7所示，其中，第二级电路与第三级电路的集电极与电源VCC2之间分别接入LC并联网络，使该网络谐振于基波频率，能够有效地减轻直流信号与交流信号间的相互干扰，同时使基波信号最大限度地输出给下一级电路。基于2 μm InGaP/GaAs异质结晶体管工艺进行流片，其芯片照片如图8所示。

图7 功率放大器电路原理图

图8 功率放大器芯片照片

采用3.5V电源偏置，将该功率放大器芯片贴在测试基板(PCB板)上进行测量，测得的小信号S参数与大信号功率参数分别如图9、10所示。

图9 功率放大器的S参数

图10 该功率放大器的大信号功率测量参数

从图9可以看出，在1.5 ～1.8 GHz的工作频段内，小信号增益S21达到了27 dB，输入端反射系数S11在-10 dB以下，输出端反射系数S22在-8 dB以下，反向隔离度S12控制在-40 dB以下。图10是电路工作频率为1.7 GHz时测得的大信号功率参数。可以看出，该功放的功率增益为27 dB，工作在1 dB压缩点时对应的输出功率与功率附加效率分别为28 dBm与32%。综上，可知该功放具有较好的输出功率特性， P1dB点附近的功率增益由于输入级预失真电路的线性化作用得到了扩展，功放的线性度得到了提高。

5 结论

本文提出了一种具有串、并联负反馈网络的有源预失真电路。通过调整该串并联负反馈网络的元件值，改变两种负反馈网络的反馈系数，可以控制预失真放大电路的增益扩张与负相位偏差的强度。采用具有该串并联负反馈网络的放大电路作为输入级设计了一款功率放大器，较好地补偿了功率放大器的后级电路，提高了整级功放的线性度。

[ 1] Hau G， Caron S， Turpel J， et al.A 20mAQuiescentCurrent 40%PAEWCDMA HBT Power Amplifier Module with Reduced Current Consumption Under Backoff Power Operation[ C] //Radio Frequency Integrated Circuits(RFIC)Symposium， 2005：243-246.

[ 2] Kenington P B， Wilkinson R J， Marvill JD.RFPower Amplifiers forWirelessCommunications[ C] //IEECollopuium on Solid-State Power Amplifiers， 1991：5/1-5/4.

[ 3]Chen Hsien-Ku， Chang DavChiang， Juang ying-Zong， et al.A CompactW ideband CMOS Low-Noise Amplifier UsingShuntResistor-Feedback and Series Inductive-Peaking Techniques[J] .Microwave and Wireless Components Letters， 2007， 17(8)：616-618.

[ 4]Hashinaga T， Tango H， Nakajima S.Pre-Distortion Linearizer Module Using InGaP-HBT Based MMIC for LDMOSHigh-Power Amplifier[C] //2004 IEEEMTT-SMicrowave Symposium Digest，2004， 2：855-858.

[ 5]Marsalek R， Jardin P， Baudoin G.From Post-Distortion to Pre-Distortion for Power Amplifiers Linearization[J].Communications Letters， 2003， 7(7)：308-310.