详解CMOS、SiGeBiCMOS和GaAs三种工艺的射频功率放大器的异同

射频功率放大器在雷达、无线通信、导航、卫星通讯、电子对抗设备等系统中有着广泛的应用，是现代无线通信的关键设备。与传统的行波放大器相比，射频固态功率放大器具有体积小、动态范围大、功耗低、寿命长等一系列优点；由于射频功率放大器在军事和个人通信系统中的地位非常重要，使得功率放大器的研制变得十分重要。因此对该课题的研究具有非常重要的意义。 设计射频集成功率放大器的常见工艺有GaAs、SiGe BiCMOS和CMOS等。GaAs工艺具有较好的射频特性和输出功率能力，但其价格昂贵，工艺一致性差；CMOSI艺的功率输出能力不大，很难应用于高输出功率的场合；而SiGe BiCMOS工艺的性能介于GaAs和CMOS工艺之间，价格相对低廉并和CMOS电路兼容，非常适合于中功率应用场合。   本文介绍了应用与无线局域网和Ka波段的射频集成功率放大器的设计和实现，分别使用了CMOS、SiGe BiCMOS、GaAs三种工艺。（1）由SMIC0．18um CMOS工艺实现的放大器工作频率为2．4GHz，采用了两级共源共栅电路结构，在5V电源电压下仿真结果为小信号增益22dB左右，1dB压缩点处输出功率为20dBm左右且功率附加效率PAE大于15％，最大饱和输出功率大于24dBm且PAE大于20％，芯片面积为1．4mm*0．96mm；（2）由IBM5PAE0．35um SiGe BiCMOS工艺实现的功率放大器工作频率为5．25GHz，分为前置推动级和末级功率级，电源电压为3．3V，仿真结果为小信号增益28dB左右，1dB压缩点处输出功率大于26dBm，功率附加效率大于15％，最大饱和输出功率为29．5dBm，芯片面积为1．56mm*1．2mm；（3）由WIN0．15um GaAs工艺实现的功率放大器工作频率为27～32GHz，使用了三级功率放大器结构，在电源电压为5V下仿真结果为1dB压缩点的输出功率P1dB26dBm，增益在20dB以上，最大饱和输出功率为29．9dBm且PAE大子25％，芯片面积为2．76mm*1．15mm。论文按照电路设计、仿真、版图设计、流片和芯片测试的顺序详细介绍了功率放大器芯片的设计过程。对三种工艺实现的功率放大器进行了对比，并通过各自的仿真结果对出现的问题进行了详尽的分析。