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
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.
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 802.11 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 802.16 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 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
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
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
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 30 20 Output Power (dbm) 10 0-10 -20-30 Fundamental IM3-40 -20-15 -10-5 0 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
PAE (%) 採 用 兩 級 共 源 極 串 接 之 WiMAX 功 率 放 大 器 設 計 15 14 12 10 8 6 4 2 0-20 -15-10 -5 0 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) 2.6 2.4-2.5 3.3-3.7 2.5-2.7 2.5 Gain (db) 25 21 10 31.9-34.3 11 OP 1dB (dbm) 18 19 45 NA 20 PAE (%) 5 2.5 18 13.4-14.2 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 2.6 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 98-2221-E-017-003 以 及 97-EC-17- A-01-S1-104
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 802.11a/b/g WLAN standard utilizing a Cartesian feedback transmitter. IEEE J. Solid-State Circuits, 39, 2226-2238. [2] Ahola, R. et al.,(2004). A single-chip CMOS transceiver for 802.11a/b/g wireless LANs. IEEE J. Solid-State Circuits, 39, 2250-2258. [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, 1679-1687. [4] Hioe, W., Maio, K., Oshima, T., Shibahara, Y., Doi, T., Ozaki, K., & Arayashiki, S.(2004). 0.18-μm CMOS Bluetooth analog receiver with -88-dBm sensitivity. IEEE J. Solid-State Circuits, 39, 374-377. [5] IEEE Std. (2005). 802.16e/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-55143 (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, 529-537. [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., 159-162. [11] Sarfraz, M., & Akkul, M. (2006). 30-Watt power amplifier for 3.5GHz WiMAX base station application. In Proc. Eur. Microwave Conf., 1706-1708. [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., 135-138. [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, 1271-1281.