SiGe HBT RF功率放大器器件级线性度研究

论文摘要

随着3G无线通信的迅速发展,越来越多的无线用户,越来越多的无线服务以及越来越高的数据流量要求,与有限的频谱资源之间的矛盾越来越突出。为了在有限的频谱范围内为更多的用户提供更高质量的服务,必须采用频谱利用率更高的传输技术,这就不可避免的要求具有很高线性度的电路的支持。功率放大器是无线射频前端最重要的模块,它的线性性能很大程度上决定了整个系统的线性性能。传统的线性化技术主要集中在电路层次,例如前馈、反馈或者预失真等。这些方法能在一定程度上改善系统的线性度,但随之而来的是更复杂的系统,更大的面积以及更高的能量消耗。本文从PA的核心器件-HBT出发,研究器件内部参数制约电路线性性能的机理,以期从器件层次改善PA的线性性能,从而达到精简电路,提高效率的目的。RF功率HBT为了达到系统对输出功率的要求,一般是由很多相同的小单元按一定的方式由金属层连线连接而成。小单元的性能很大程度上决定大功率HBT的性能,而RF条件下,金属层连线上的寄生参数对器件性能也有重要影响。文章以SiGe HBT为研究对象,在对小单元的非线性分析中,采用Volterra级数理论分析与ADS仿真验证相结合的方式。分析发现:小信号条件下,rπ,gm以及Cπ是SiGe HBT中最重要的非线性因素,但是他们之间的非线性相消使得器件整体对外表现出较好的线性特性;电阻RE和RBi对电路的反馈作用,使得它们能够在一定程度上减小总跨导Gm的非线性;输入输出匹配会对器件的线性性能产生重要影响。为了研究由这些小单元构成的大功率HBT的性能,文章首先建立了能反映金属层连线分布效应的全分布式大信号模型,该模型对指导器件设计和电路设计具有重要的意义。仿真发现,由于分布参数的作用,功率器件内部各单元的静态工作点分散较大,工作状态很不均匀,导致其各种性能的恶化。作为论文的研究成果,提出了大功率器件的层次式非对称的设计方案,它能够在很大程度上改善器件的线性性能,功率容量以及频率特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线通信系统中线性度的重要性
• 1.2 本论文的技术路线
• 1.3 PA 线性度问题研究综述
• 1.4 研究难点以及论文结构
• 第2章 线性度的概念，表征以及研究方法
• 2.1 PA 中线性度的概念
• 2.2 无线通信系统中的线性度问题
• 2.3 线性度研究现状
• 2.3.1 电路级线性化技术
• 2.3.2 器件级线性度研究现状
• 2.4 PA 的性能指标
• 2.4.1 功率容量
• 2.4.2 功率效率
• 2.4.3 非线性失真以及线性度指标
• 2.5 功率放大器的分类
• 2.5.1 A、AB、B、C 类功率放大器
• 2.5.2 D、E、F 类放大器
• 2.5.3 本论文采用的电路的组态
• 2.6 功率HBT 非线性理论分析方法以及仿真方法
• 2.6.1 Volterra 级数
• 2.6.2 线性度的仿真方法
• 2.7 本章小结
• 第3章 PA 内部主要非线性因素分析
• 3.1 HBT 内部主要非线性因素对PA 线性度的影响
• 3.1.1 跨导gm 对PA 线性性能的影响
• 3.1.2 输入电阻gπ对PA 线性性能的影响
• 3.1.3 非线性结电容CBC 对PA 线性性能的影响
• 3.1.4 BE 结非线性扩散电容Cdiff 对PA 线性性能的影响
• 3.1.5 非线性基区电阻RB 对PA 线性性能的影响
• 3.1.6 R E 对PA 线性性能的影响
• 3.1.7 用Volterra 级数分析HBT 的非线性相消机制
• 3.2 终端阻抗对PA 线性度的影响
• 3.3 极限条件下PA 的线性度问题
• 3.4 本章小结
• 第4章 RF 功率HBT 的分布式模型以及器件的设计优化
• 4.1 HBT 模型综述
• 4.1.1 SGP 模型
• 4.1.2 VBIC 模型
• 4.1.3 MEXTRAM 模型
• 4.1.4 HICUM 模型
• 4.1.5 SGP、VBIC、MEXTRAM 和HICUM 模型对比
• 4.1.6 现有模型的局限以及本文建模思路
• 4.2 RF 大功率HBT 的分布式大信号模型
• 4.3 模型的有效性
• 4.4 分布参数对器件性能的影响
• 4.4.1 分布参数对HBT 功率容量以及线性性能的影响
• 4.4.2 分布参数对HBT 频率特性的影响
• 4.5 HBT 层次式非对称设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论
• 5.1 研究成果总结
• 5.2 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果