基于E―PHEMT技术的宽带、高线性和微型封装放大器研究

摘 要：基于GaAsE-PHEMT工艺，采用负反馈和宽带有耗匹配技术，实现宽带、高线性MMIC放大器芯片；基于多层陶瓷工艺，制作密封性好、可靠性高的封装外壳。结合二者，基于多物理场联合设计、仿真和优化，实现宽带、高线性和小型化功率放大器。该放大器频率覆盖DC～3GHz，增益大于14dB，P-1功率大于23.5dBm；P-1下PAE大于40%，OIP3大于39dbm，噪声小于3.4dB，输入驻波和输出驻波小于1.5（2GHz）。采用恒流镜像偏置，+5V单电源供电，工作电流小于110mA，封装尺寸仅为4.5mm×2.5mm×1.8mm。可广泛应用于通信等领域。

关键词：E-PHEMT；MMIC；高线性；宽带；微型封装

中图分类号：TN722 文献标识码：A

0. 引言

近年来，通信领域飞速发展，牵引了相关器件和电路的快速发展，也增大了诸多需求，尤其是对宽带、高线性和高效率以及小尺寸封装放大器的需求，使其成为当前研究的热点。

目前，制作高线性和高效率放大器的制作技术主要有GaAsHBT和GaAs D-PHEMT技术，它们各具优势和不足，而GaAs E-PHEMT技术，继承了D-PHEMT技术的诸多优势，同时具有单电源、高跨导和高线性等特性，可以媲美HBT技术，是实现高线性、高效率和单电源应用的最有力竞争者。

本文介绍了基于GaAs EPHEMT和陶瓷封装技术，设计和制作宽带、高线性和效率以及微型封装放大器的研制过程，第一部分简要介绍E-PHEMT技术，第二部分主要描述MMIC设计和制作；第三部分则是微型封装设计和制作，第四部分是测试和分析，最后是总结。

1. E-PHEMT器件技术

对于电路设计者来说，E-PHEMT能够提供显著的优势，主要表现在以下两个方面：

其一，低电压和单电源工作，其开启电压大约0.3V～0.4V，在其工作电压下降到1V时，仍能维持较好的性能，而其竞争对手HBT，由于其较高的Knee电压（大于0.7V），导致其性能随着工作电压下降而快速退化，因此，EPHEMT器件的该特性对于移动通信来说，其带来的好处是不言而喻的。

其二，E-PHEMT器件相对D-PHEMT，势垒层厚度较薄，跨导更大，通常每毫米栅宽大约500～600ms/mm，后者只有300～400ms/mm，进而带来高增益、高线性和高效率等特性，使其在通信领域里占据越来越重要的地位，AVAGO公司则是该领域的佼佼者。

图1是0.25um栅长E-PHEMT与D-PHEMT器件的跨导曲线对比图，图2是4×100um栅宽的IV曲线。从图中可以得到前者的跨导最大值为550ms/mm，后者不到400ms/mm，大约提高30%；E-PHEMT的阈值电压大约为0.25V～0.3V，避免了负电压。4×100um栅宽器件其最大特征频率fT大约50GHz。

2. MMIC电路设计

为了实现DC～3GHz、OIP3大于39dBm，P-1大于23dBm和PAE效率大于40%，以及输入输出驻波比小于1.5的高性能MMIC放大器，选择合适的电路拓扑结构，并进行初值估算，图3是实现该目标的电路原理图。

如图3所示，该电路主要采用并联RCL和串联RL反馈的电路拓扑结构，实现宽带、高线性等技术指标，所涉及的元件值，需要优化，以满足技术指标。主放大管Q2的尺寸需要根据输出功率、效率和输出驻波等进行折中优化，这里选用两个8×65um栅宽的管子。

为了实现DC～3GHz的宽带匹配，除了上述的负反馈结构外，Q2管的输出阻抗与RLC反馈共同决定整个MMIC的输出阻抗，通过优化，使其在宽频率范围内实现良好匹配；而输入匹配，则采用了简单的低通匹配+RC并联有耗结构，使其满足宽频带良好驻波特性。

放大器的偏置电路是关键部位，对其直流和射频特性具有较大影响。采用恒流镜偏置电路提供恒定的工作电流。Q1管作为偏置管，与主放管Q2形成电流镜结构，因Q1与Q2开启电压相同，即VGS1=VGS2=VGS，Q2管漏电流IDS2与Q1管漏电流IR成比例镜像关系，即

其中，S1、S2分别为Q1、Q2晶体管宽长比。因此，通过电阻R1调节较小的参考电流IR1，从而得到所需的射频管静态电流IDS2。

此外，为了实现较好的温度补偿作用，选用了具有温度特性互补的台面电阻，实现全温域性能恒定。

图4是制作完后的MMIC芯片图，芯片尺寸为0.95mm×0.95mm。

3. 陶瓷外壳设计

陶瓷外壳与塑料外壳相比在可靠性方面具有诸多优势，如耐湿、耐高低温、低热膨胀系数、介电常数温度系数稳定等。因此，为了保证放大器在恶劣环境适应性要求，基于多层陶瓷工艺，设计芯片封装外壳。外形仿照SOT-89塑料封装，采用表面贴装结构。除考虑其可靠性、工艺可实现性外，需重点考虑其端口阻抗匹配性能。封装内部芯片到外壳引出端之间，通过键合金丝、陶瓷管壳内焊盘、金属化通孔、管壳外焊盘进行互联。键合丝与通孔的寄生电感参量，会对电路的阻抗带来一定的失配，其端接50Ω负载等效阻抗Zin、电压驻波可分别表示为：

其中L=L1+L2，L1、L2分别表示键合丝和通孔寄生电感。从（4）式可看出，随着工作频率ω或寄生电感L的提高，失配的程度越高。为了减小失配，采用容性补偿的方法，即在L1和L2之间插入分布电容C。其等效阻抗、电压驻波分别表示为：

从（6）式得出，当，VSWR=1。因此，通过引入容性支节，可抵消键合丝和通孔的寄生电感，改善端口匹配。为了精确仿真管壳端口微波参数，建立三维电磁仿真模型，如图5所示。端口过渡三维电磁仿真结果如图6所示。从仿真结果看，在3GHz以下，插损小于0.1dB，驻波小于1.1，满足该器件设计需求。

提取微波外壳仿真结果，与芯片进行联合仿真，进一步优化调整芯片匹配网络，联合仿真结果如图7所示。

4. 测试和分析

基于GaAsE-PHEMT工艺进行制版、流片，同时按设计要求加工陶瓷外壳。芯片通过探针测试系统在片测试合格后，采用金锡焊料烧结在陶瓷外壳内部，通过键合金丝互联，最后，在氮气气氛保护下，采用金锡熔封工艺进行封盖，达到气密封装，实物图如图8所示。制作专用的测试夹具，并外接宽带偏置器对器件进行测试，测试结果如图7所示。测试结果与仿真结果基本吻合。

噪声系数实测值比仿真结果略高，一是因为测试时通过专用的测试夹具进行测试，夹具会引入一部分损耗；二是因为工艺原因，MMIC片上参与输入匹配的有耗网络元件值与仿真理想值存在偏差造成的。这可在后期芯片改版微调得到改善。

测试器件OIP3指标时，两路信号自身交调产物，被器件放大后，会影响器件真实的OIP3测试结果，因此，采用改进测试方法，即在两路信号源后插入隔离器，从而增加两路信号端口间的隔离度，使信号源自身的交调产物降至最低，从而提高被测器件OIP3的测试精度。

结论

采用E-PHEMT器件技术，并通过RLC并联反馈，RL串联反馈，以及有耗匹配技术，实现了宽带、高线性、单电源加电的MMIC放大器，并采用多层陶瓷封装技术，实现频段覆盖DC～3GHz，OIP3指标高达39dBm的高性能、高可靠、微型化表贴封装放大器。该器件覆盖典型通信频段，具有广阔的应用前景。

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