10W高线性802.11n功率放大芯片设计

摘要：本文介绍了一款用于无线局域网802.11n的10W功率放大芯片。该芯片具有高功率、高增益、高效率和高集成度的特点，并且使用方便。芯片采用GaAs HBT技术，芯片面积仅为10mm×10mm。功率放大器采用了热分流式结构，饱和输出功率可达41dBm，功率附加效率达到40%，功率增益为38dB。此外芯片内部设计了50欧姆的输入输出匹配电路与片内ESD保护电路，方便用户安全使用。

引言

802.11n是宽带无线局域网(WLAN)的一种传输标准。在WLAN组网时，可以利用无线桥接技术将两个不同物理位置，不方便布线的用户连接到同一局域网内。但是由于WLAN自身发射功率较低，桥接的距离非常有限。因此在为桥接路由器设计大功率、高线性、符合802.11n要求的功率放大器是非常有价值的。

在实际应用中，为满足传输距离要求，需要线性输出2W的功率放大器。为得到2W的线性输出，通常功率放大器的饱和输出功率需要达到10W以上。10W功率放大器通常是由电路模组实现的，体积大，一致性不高。本文介绍的是一款10W功率放大芯片，芯片采用10×10×1.1mm³的LGA封装，相比于电路模组，大大节约了电路板面积，同时在稳定性、一致性方面具有很大优势^[1]。

1 电路总体结构设计

考虑到放大器的输入功率限制，10W的功率放大器必须具有高增益。设计的增益指标定在35dB以上。考虑到电路的级间匹配损耗，整个功率放大器需要由4级放大电路构成^[2]。

为降低芯片的使用难度，将输入、输出匹配电路设计在芯片内部，做到输入、输出端口50欧姆阻抗匹配。

该功率放大器工作在2.4GHz，匹配电路需要占据一定的芯片面积。设计的面积指标定为：放大模块与匹配电路总面积控制在10mm×10mm以内。最终芯片选择的也是10×10×1.1mm3的LGA封装。

为进一步降低芯片使用难度，芯片设计时，尽量减少外围元器件。外围管脚尽量简化，仅有射频输入、射频输出、直流供电与控制端口。

2 末级放大电路设计

在系统设计中，通常阻抗变换比可以做到1:10。也就是说在50欧姆系统中，从功放输出端看出去的负载阻抗最小可以做到50欧姆的1/10，也就是5欧姆。根据且 ，可以得出。考虑到电压利用效率，芯片的末级供电电压选择为12V。

芯片末级供电12V，那么输出电压的摆幅将达到20V以上。单个GaAs HBT晶体管耐压通常在12V-14V，是无法承受这么高的电压变化的^[3]。因此芯片末级放大电路采用Cascode结构，利用两个晶体管分担电压。

本设计中采用了一种新颖的Cascode结构，如图1所示，Q1的基极带有阻容元件，这是一种级间功率匹配技术^[4-5]。在普通Cascode结构电路中，晶体管Q1的基极对于射频信号是接地的，因此从Q1的发射极看到的阻抗非常小，也就是说晶体管Q0的负载阻抗非常小。这导致绝大部分电压将由晶体管Q1承受，两个晶体管分担电压的效果不理想。而在本电路设计中，该电路结构配合输出匹配电路，可以使晶体管Q0与Q1平均分摊电压摆幅。这样两个晶体管都处于良好的工作状态下，可以提升Cascode放大器的线性与效率。

3 供电方式设计与控制端设计

末级放大器需要采用12V供电。然而对前级放大器而言，只需要5V的工作电压就可以驱动末级放大器。如果统一采用12V供电，会降低整个放大器效率。而且高供电电压会大大增加ESD保护电路的面积。因此芯片设计时采用了12V与5V两路直流供电。

此外芯片还带有偏置控制端口。该端口与各级放大器的偏置电路相连，可以通过该端口来关断功放的偏置电路，达到关闭整个功率放大器的效果。

4 热分流设计

大功率的功率放大器芯片工作时，巨大的热功耗会导致HBT温度的急剧上升。其实质为电子、空穴以及半导体晶格组成的热动力系统发生变化^[6]。HBT工作于放大状态时，基极-集电极之间的耗尽结产生的电场最大，电流密度大。在强电场作用下，载流子被加速并从电场中获得能量，致使其平均能量比平衡时高出很多，从而载流子温度升高，相应的电学特性发生变化^[7]。

为保证电学特性的稳定，必须采用合理的散热方式降低晶体管温度。图2为HBT的热流流动图。其中，散热途径1为传统的散热方式，即晶体管通过衬底散热。途径2采用将发射极与金属连接的方式进行散热，可以采用金属银，其热导率为420W/ m?K ，此方法提供了快速的散热通道。由于在HBT功放设计中，发射极通常接地，因而，此种连接方式并不会影响电气的连接。途径3为本文提出的增加的散热途径。由于集电极的热量最大，实际温度最高，因而也是最需降温的部分，采用正交排列的双层金属条，尽管在电气上没有互联，热量却可以通过金属条再次散入背孔中，增加的散热路径为晶体管提供更好的散热环境