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渍叠朱
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1 高雄師大學報 2009, 27, 9-16 採用兩級共源極串接之 WiMAX 功率放大器設計吳建銘 1 許琮富 2 摘要本論文採用砷化鎵 (GaAs) 擬態高電子移動率電晶體 (PHEMT) 研製應用於全球互通微波存取 (WiMAX) 系統之 2.6 GHz 功率放大器混成微波積體電路 (HMIC) 因為 WiMAX 系統選擇頻率範圍為 2.5 至 2.69 GHz 的美國多點微波分佈式系統 (MMDS) 頻帶, 所以設計 WiMAX 功率放大器的中心頻率等於 2.6 GHz 電路架構採用兩級共源極串接設計, 利用中間級 (inter-stage) 的阻抗匹配網路, 在增益與輸出功率之間達到最佳的取捨 (trade-off), 使功率放大器在適當輸出功率之下具有高增益的特性第一級為小訊號放大器輸入級, 使用單一顆電晶體為核心電路 ; 第二級為功率放大器輸出級, 為因應電晶體本身額定電流的限制, 採用三顆電晶體並聯的形式實現 WiMAX 功率放大器在頻率等於 2.6 GHz 之重要參數量測結果, 包括增益為 25 db, 輸出 1 db 壓縮點 (OP 1dB ) 等於 18 dbm, 輸出三階交越點 (OIP 3 ) 為 29 dbm 以及功率附加效率 (PAE) 等於 5 %, 所使用之供應電壓為 3.6 V, 消耗電流等於 282 ma 關鍵字 : 功率放大器串接共源極全球互通微波存取投稿日期 : 民國 98 年 9 月 25 日 ; 接受刊登日期 98 年 12 月 11 日 1 2 國立高雄師範大學電子工程學系助理教授台揚科技工程部工程師

6 GHz 電路架構採用兩級共源極串接設計, 利用中間級 (inter-stage) 的阻抗匹配網路, 在增益與輸出功率之間達到最佳的取捨 (trade-off), 使功率放大器在適當輸出功率之下具有高增益的特性第一級為小訊號放大器輸入級, 使用

2 10 高雄師大學報第二十七期 WiMAX Power Amplifier Designs through Adopting Two-Stage Common-Source Cascade Jian-Ming Wu * Tsorng-Fu Hsu ** Abstract A 2.6 GHz power amplifier (PA) is designed and implemented in hybrid microwave integrated circuit (HMIC) using GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor (PHEMT) for WiMAX applications. The center frequency of a WiMAX PA is designed at 2.6 GHz due to the selection of U.S. multi-point microwave distribution system (MMDS) band of frequency ranging from 2.5 to 2.69 GHz. The proposed design is based on two-stage common-source cascade configuration to achieve moderate output power and high gain using an inter-stage impedance-matching network. The first stage is a small-signal amplified input-stage with a single transistor to increase the gain. The second stage is a power amplified output-stage with three-parallel transistors to enhance the power. The crucial measured results of a WiMAX PA operated at 2.6 GHz show that a gain is equal to 25 db, an output 1 db compression point (OP 1dB ) is equal to 18 dbm, an output third-order intercept point (OIP 3 ) is equal to 29 dbm, and a power added efficiency (PAE) is equal to 5 %. A supply voltage of 3.6 V is used and a current consumption is 282 ma. Keywords: Power amplifier (PA), cascade, common-source, WiMAX. * ** Assistant Professor, Department of Electronic Engineering, National Kaohsiung Normal University. Electronics Engineer, Engineering Department, Microelectronic Technology, Inc.

The center frequency of a WiMAX PA is designed at 2.6 GHz due to the selection of U.S. multi-point microwave distribution system (MMDS) band of frequency ranging from 2.5 to 2.69 GHz.

3 採用兩級共源極串接之 WiMAX 功率放大器設計 11 壹簡介無線通訊技術的快速成長, 對人類生活造成很大的改變, 各項協定標準隨之制定, 如 IEEE 系列 [1],[2] 與藍芽 (Bluetooth)[3],[4] 等, 各有其所在的頻段及應用, 使人們得以享受通訊蓬勃發展所帶來的便利性因為現代無線通訊系統要求高資料傳輸速率與高移動速度, 所以 IEEE 委員會公佈新興的全球互通微波存取 (Worldwide interoperability for microwave access, WiMAX) 系統 [5] WiMAX 系統具有的優勢在於資料傳輸率高行動性高以及可覆蓋區域廣在 WiMAX 系統的規範中, 最大資料傳輸速率為 75 Mbps, 移動速度可達每小時 120 公里, 而涵蓋範圍約為 5 至 48 公里目前寬頻網路的使用, 仍然以數位用戶專線 (Digital subscriber line, DSL) 有線裝置為主, 在市郊鄉村與高山等佈線成本過高的區域更能彰顯上述特性的重要性 [6] 因此,WiMAX 系統被美喻為無線網路中的最後一哩 (Last mile) WiMAX 系統因使用正交分頻多工 (Orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) 技術, 而要求射頻傳收機必需具有多載波 (Multi-carrier) 以及高峰對均值功率比 (Peak-to-average power ratio) 的特性, 以增加通道抗干擾能力位於發射機最前端的功率放大器之設計將直接影響整體發射訊號的功率大小提高功率放大器的輸出功率有助於增加發射機的發射訊號強度, 可以加強峰對均值功率比本論文使用兩級共源極串接設計高增益之功率放大器以符合 WiMAX 系統規範的要求功率放大器採用兩級串接設計的優點在於可以藉著中間級 (inter-stage) 阻抗匹配網路的設計, 在增益與輸出功率之間達到最佳的取捨 (trade-off), 使功率放大器在適當輸出功率之下具有高增益的特性因為砷化鎵 (GaAs) 製程增強型擬態高電子移動率電晶體 (Enhancement mode pseudomorphic high electron mobility transistor, E-PHEMT) 具有高崩潰電壓 (Breakdown voltage) 的特性, 所以 WiMAX 功率放大器使用 Agilent Technologies 的 E-PHEMT [7], 以混合式微波積體電路 (Hybrid microwave integrated circuit, HMIC) 實現貳兩級共源極串接設計 WiMAX 功率放大器使用兩級串接共源極放大器設計, 實作的電路架構, 如圖 1 所示第一級為小訊號放大器輸入級, 核心電路是使用單一顆電晶體 ; 第二級為功率放大器輸出級, 因為受限於單一顆電晶體本身的額定電流, 所以採用三顆電晶體並聯的形式增加 WiMAX 功率放大器的消耗電流以提高輸出訊號的位準 [8] 整體設計目標, 規劃增益可達 25 db, 輸出 1 db 壓縮點 (Output 1dB compression point, OP 1dB ) 大於 15 dbm, 以及輸出三階交越點 (Output third-order intercept point, OIP 3 ) 約為 30 dbm 第一級小訊號放大器採用共源極架構, 如圖 2 所示, 主要功能在於驅動輸入訊號, 以提高增益偏壓設計採用電阻 R 1 與 R 2 分壓, 並在電晶體 Q 1 之閘極與汲極間使用電阻 R 2 形成負回授 (negative feedback) 以增加放大器的穩定性輸入與輸出端的阻抗皆匹配至測試系統的 50Ω 小訊號放大器輸入級的預計規格, 包括小訊號增益約為 14 db, 輸出 1 db 壓縮點等於 6 dbm 以及輸出三階交越點大於 15 dbm

16 委員會公佈新興的全球互通微波存取 (Worldwide interoperability for microwave access, WiMAX) 系統 [5] WiMAX 系統具有的優勢在於資料傳輸率高行動性高以及可覆蓋區域廣在 WiMAX 系統的規範中, 最大資料傳輸速率為

4 12 高雄師大學報第二十七期 RF in RF out 小訊號放大器輸入級功率放大器輸出級圖 1 應用於 WiMAX 系統之兩級共源極串接功率放大器 V DD L 1 Input Matching Network C 1 R 2 R 1 Q 1 C 2 Output Matching Network 圖 2 小訊號放大器輸入級第二級功率放大電路也是採用共源極架構, 如圖 3 所示, 主要的功能在於提高輸出功率放大器主體採用三顆電晶體並聯的形式, 提高電流額度, 使電流額度可以超過 250 ma 以上, 以避免電晶體因為電流過大而造成損壞輸入端的阻抗匹配至測試系統的 50Ω, 而輸出端之最佳功率匹配阻抗 R opt 則根據電晶體的電壓電流特性曲線, 使用負載線 (Load line) 理論計算 [9] 將最佳功率匹配阻抗 R opt 以數學方程式表示為 ( V V ) B K R opt =. (1) IS 其中,V B 表示崩潰電壓,V K 為膝電壓 (Knee voltage) 以及 I S 表示飽和電流 (Saturate current) 第二級功率放大器規劃增益約為 11 db, 輸出 1 db 壓縮點大於 15 dbm 以及輸出三階交越點約為 30 dbm 個別設計完成兩級電路之後, 將兩級電路串接形成 WiMAX 功率放大器因為各級電路間並非具有完美的單向性, 將影響輸入輸出與中間級的阻抗匹配, 所以必須針對中間級的阻抗匹配最佳化 WiMAX 功率放大器根據電晶體之電壓電流特性曲線, 使用 (1) 計算 R opt, 並利用 Agilent Technologies 之先進設計系統 (Advanced design system, ADS) 內建的負載拉移 (Load pull) 環境將等功率輸出曲線顯示在史密斯圖 (Smith chart) 上的位置圖 4 表示 WiMAX 功率放大器透過負載拉移分析在史密斯圖上顯示等功率輸出曲線 WiMAX 功率放大器輸出阻抗可以設計在

壞輸入端的阻抗匹配至測試系統的 50Ω, 而輸出端之最佳功率匹配阻抗 R opt 則根據電晶體的電壓電流特性曲線, 使用負載線 (Load line) 理論計算 [9] 將最佳功率匹配阻抗 R opt 以數學方程式表示為 ( V V ) B K R opt =.

5 採用兩級共源極串接之 WiMAX 功率放大器設計 13 R opt, 將可獲得最大的輸出功率但是, 顧及增益的表現, 功率放大器必須在輸出功率與增益之間達到最佳的取捨於是根據兩級串接技術設計中間級的阻抗匹配網路, 選擇輸出阻抗等於 35+j23Ω, 如圖 4 所示, 使功率放大器在適當輸出功率之下實現高增益的特性 V G V DD Input Matching Network C 1 L 1 L 2 C 2 Q 1 Output Matching Network 圖 3 功率放大器輸出級圖 4 WiMAX 功率放大器藉著負載拉移分析在史密斯圖上顯示等功率輸出曲線參實作與量測因為 WiMAX 系統使用頻率範圍為 2.5 至 2.69 GHz 的美國 MMDS 頻帶, 所以選擇 2.6 GHz 為功率放大器之中心頻率 WiMAX 功率放大器使用 Agilent Technologies 之 GaAs 製程 E-PHEMT 進行混成微波積體電路的設計與實作供應電壓選擇 3.6 V, 消耗電流等於 282 ma 首先, 測試小訊號放大器輸入級, 量測結果包括增益為 16 db, 輸出 1 db 壓縮點等於 6 dbm 然後, 從

率放大器藉著負載拉移分析在史密斯圖上顯示等功率輸出曲線參實作與量測因為 WiMAX 系統使用頻率範圍為 2.5 至 2.69 GHz 的美國 MMDS 頻帶, 所以選擇 2.

6 14 高雄師大學報第二十七期事功率放大器輸出級測試, 量測結果包括增益為 12 db, 輸出 1 db 壓縮點等於 18 dbm 最後, 將兩級電路串接形成 WiMAX 功率放大器, 其完整功能量測之測試夾具, 如圖 5 所示為了符合 WiMAX 系統的通道頻寬 (Channel bandwidth), 因此兩輸入訊號 (Two-tone) 的頻率間隔選擇 20 MHz 由於兩輸入訊號的中心頻率等於 2.6 GHz, 所以兩輸入訊號的頻率分別為 2.59 GHz 與 2.61 GHz, 而輸出三階交越調變項 (Output third-order intermodulation product, IM 3 ) 分別位於 2.57 GHz 以及 2.63 GHz WiMAX 功率放大器輸出訊號與三階交越調變項之輸出功率量測結果, 如圖 6 所示因為受限於儀器的雜訊位準 (noise floor), 所以, 在測試輸出三階交越點時輸入功率必須要求 -20 dbm 以上由圖 6 可知,WiMAX 功率放大器具有 25 db 的增益圖 6 也顯示輸出 1 db 壓縮點與輸出三階交越點分別等於 18 dbm 以及 29 dbm 圖 7 表示 WiMAX 功率放大器之功率附加效率量測結果由圖 7 可知,WiMAX 功率放大器在輸入 1dB 壓縮點, 即輸入功率等於 7 dbm 之效率約為 5 % 表 1 整理 WiMAX 功率放大器之重要射頻參數量測結果並且與目前文獻 [10]-[13] 所發表之功率放大器設計比較由表 1 可知 WiMAX 功率放大器在頻率為 2.6 GHz 之重要參數量測結果, 包括增益為 25 db, 輸出 1 db 壓縮點等於 18 dbm 以及功率附加效率等於 5 %, 所使用之供應電壓為 3.6 V, 消耗電流等於 282 ma 觀察表 1 之比較結果得知, 採用兩級共源極串接之 WiMAX 功率放大器在低功率消耗之下具有高增益與中功率附加效率的特性, 但是在輸出 1 db 壓縮點上的表現比較小 RF in RF out 小訊號放大器輸入級功率放大器輸出級圖 5 WiMAX 功率放大器實作成品 Output Power (dbm) Fundamental IM Input Power (dbm) 圖 6 WiMAX 功率放大器輸出訊號與三階交越調變項之輸出功率量測結果

61 GHz, 而輸出三階交越調變項 (Output third-order intermodulation product, IM 3 ) 分別位於 2.57 GHz 以及 2.

7 PAE (%) 採用兩級共源極串接之 WiMAX 功率放大器設計 Input Power (dbm) 圖 7 WiMAX 功率放大器功率附加效率之量測結果表 1 WiMAX 功率放大器量測結果以及與目前文獻所設計之功率放大器比較 Parameter \ Reference This Design [10] [11] [12] [13] Frequency (GHz) Gain (db) OP 1dB (dbm) NA 20 PAE (%) Supply Voltage (V) Current Consumption (ma) NA 肆結論本論文實際以 Agilent Technologies 之 E-PHEMT 採用兩級共源極串接架構實現應用於 WiMAX 系統之 2.6 GHz 功率放大器我們設計兩級串接之間的中間級阻抗匹配網路, 在增益與輸出功率之間達到最佳化, 使功率放大器在適當輸出功率之下具有高增益的特性 WiMAX 功率放大器操作在頻率等於 2.6 GHz 之量測結果, 包括增益為 25 db, 輸出 1 db 壓縮點等於 18 dbm, 輸出三階交越點為 29 dbm 以及功率附加效率等於 5 %, 所採用之供應電壓與消耗電流分別為 3.6 V 以及 282 ma 致謝本研究由國科會與經濟部贊助, 計畫編號分別為 E 以及 97-EC-17- A-01-S1-104

2 28 Supply Voltage (V) 3.6 5 12 6 3.3 Current Consumption (ma) 282 260 NA 520 330 肆結論本論文實際以 Agilent Technologies 之 E-PHEMT 採用兩級共源極串接架構實現應用於 WiMAX 系統之 2.

8 16 高雄師大學報第二十七期參考文獻 [1] Perraud, L., Recouly, M., Pinatel, C., Sornin, N., Bonnot, J. L., Benoist, F., Massei, M., & Gibrat, O. (2004). A direct-conversion CMOS transceiver for the a/b/g WLAN standard utilizing a Cartesian feedback transmitter. IEEE J. Solid-State Circuits, 39, [2] Ahola, R. et al.,(2004). A single-chip CMOS transceiver for a/b/g wireless LANs. IEEE J. Solid-State Circuits, 39, [3] Zeijl, P. van, Eikenbroek, J. W. T., Vervoort, P. P., Setty, S., Tangenherg, J., Shipton, G., Kooistra, E., Keekstra, I. C., Belot, D., Visser, K., Bosma, E., & Blaakmeer, S. C.(2002). A Bluetooth radio in 0.18-μm CMOS. IEEE J. Solid-State Circuits, 37, [4] Hioe, W., Maio, K., Oshima, T., Shibahara, Y., Doi, T., Ozaki, K., & Arayashiki, S.(2004) μm CMOS Bluetooth analog receiver with -88-dBm sensitivity. IEEE J. Solid-State Circuits, 39, [5] IEEE Std. (2005) e/D6, Part 16: Air interface for fixed broadband wireless access system, Amendment 2: for physical and medium access control layers for combined fixed and mobile operation in licensed band. [6] Vaughan, S. J. (2004). Achieving wireless broadband with WiMax. IEEE Computer Society. [7] Agilent ATF (2004). Low noise enhancement mode pseudomorphic HEMT in a surface mount plastic package, Data Sheet, Agilent Technologies. [8] Deng, J., Gudem, P. S., Larson, L. E., & Asbeck, P. M. (2005). A high average-efficiency SiGe HBT power amplifier for WCDMA handset applications. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 53, [9] Cripps, S. C. (1999). RF Power Amplifier for Wireless Communications. Artech House. [10] Hsu, Y. C., Wang, S. M., Chen, C. C., Ho, W. J., & Lin, C. K. (2007). Single-chip dual-mode power amplifier MMIC using GaAs E-pHEMT for WiMAX/WLAN applications. In IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., [11] Sarfraz, M., & Akkul, M. (2006). 30-Watt power amplifier for 3.5GHz WiMAX base station application. In Proc. Eur. Microwave Conf., [12] Miyashita, M., Okuda, T., Kurusu, H., Shimamura, S., Konishi, S., Udomoto, J., Matsushita, R., Sasaki, Y., Suzuki, S., Miura, T., Komaru, M., & Yamamoto, K. (2007). Fully integrated GaAs HBT MMIC power amplifier modules for 2.5/3.5-GHz-band WiMAX applications. In IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symp. Dig., [13] Wang, F., Kimball, D. F., Lie, D. Y., Asbeck, P. M., & Larson, L. E. (2007). A monolithic high-efficiency 2.4-GHz 20-dBm SiGe BiCMOS envelope-tracking OFDM power amplifier. IEEE J. Solid-State Circuits, 42,

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NANO COMMUNICATION 23 No.3 90 CMOS 94/188 GHz CMOS 94/188 GHz A 94/188 GHz Dual-Band VCO with Gm- Boosted Push-Push Pair in 90nm CMOS 90 CMOS 94

NANO COMMUNICATION 23 No.3 90 CMOS 94/188 GHz 23 90 CMOS 94/188 GHz A 94/188 GHz Dual-Band VCO with Gm- Boosted Push-Push Pair in 90nm CMOS 90 CMOS 94/188GHz LC class-b 0.70 0.75 mm 2 pad 1 V 19.6 ma (ƒ