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GaN如何變革半導體射頻器件

  閱讀:2515  時間:2018-02-27  來源:網絡摘文

電信行業不斷需要更高的數據速率,工業系統不斷需要更高的分辨率,這助推了滿足這些需求的電子設備工作頻率的不斷上升。許多系統可以在較寬的頻譜中工作,新設計通常也會有進一步增加帶寬的要求。在許多這樣的系統中,人們傾向于使用一個涵蓋所有頻帶的信號鏈。半導體技術的進步使高功率寬帶放大器功能突飛猛進。GaN革命席卷了整個行業,并且可以讓MMIC在幾十種帶寬下生成1 W以上的功率,因此,這個過去由行波管主導的領域已經開始讓步于半導體設備。更短柵極長度的GaAs和GaN晶體管的出現以及電路設計技術的升級,衍生了一些可以輕松操作毫米波頻率的新設備,開啟了幾十年前難以想象的新應用。本文將簡要描述支持這些發展的半導體技術的狀態、實現最佳性能的電路設計考慮因素,還列舉了展現當今技術的GaAs和GaN寬帶功率放大器(PA)。

許多無線電子系統都可覆蓋很寬的頻率范圍。在軍事工業中,雷達頻段可覆蓋從幾百MHz到GHz級頻率。一些電子戰和電子對抗系統需要在極寬的帶寬下工作。各種不同頻率,如MHz至20 GHz,甚至包括更高的頻率,現在都面臨著挑戰。隨著越來越多電子設備支持更高頻率,對更高頻率電子戰系統的需求將會出現井噴。在電信行業,基站的工作頻率為450 MHz至3.5 GHz左右,并且隨著更高帶寬的需求增長而持續增加。衛星通信系統的工作頻率主要為C-波段至Ka-波段。用于測量這些不同電子設備的儀器儀表需要能在所有這些必要的頻率下工作,才能得到國際認可。因此,系統工程師需要努力嘗試設計一些能夠覆蓋整個頻率范圍的電子設備。想到可以使用單個信號鏈覆蓋整個頻率范圍,大多數系統工程師和采購人員都會非常興奮。用單個信號鏈覆蓋整個頻率范圍將會帶來許多優勢,其中包括簡化設計、加速上市時間、減少要管理的器件庫存等。單信號鏈方案的挑戰始終繞不開寬帶解決方案相對窄帶解決方案的性能衰減。挑戰的核心在于功率放大器,對于窄帶寬其具有一流的功率和效率性能。

半導體技術


過去幾年,行波管(TWT)放大器一直將更高功率電子設備作為許多這類系統中的輸出功率放大器級。TWT擁有一些不錯的特性,包括千瓦級功率、倍頻程帶寬或者甚至多倍頻程帶寬操作、高效回退操作以及良好的溫度穩定性。TWT也有一些缺陷,其中包括較差的長期可靠性、較低效率,并且需要非常高的電壓(大約1 kV或以上)才能工作。關于半導體IC的長期穩定性,這些年電子設備一直向前發展,首當其沖的就是GaAs。在可能的情況下,許多系統工程師一直努力組合多個GaAs IC,生成大輸出功率。整個公司都完全建立在技術組合和有效實施的基礎之上。進而孕育了許多不同類型的組合技術,如空間組合、企業組合等。這些組合技術全都面臨著相同的命運——組合造成了損耗,幸運的是,并不一定要使用這些組合技術。這激勵我們使用高功率電子設備開始設計。提高功率放大器RF功率的最簡單的方式就是增加電壓,這讓氮化鎵晶體管技術極具吸引力。如果我們對比不同半導體工藝技術,就會發現功率通常會如何隨著高工作電壓IC技術而提高。硅鍺(SiGe)技術采用相對較低的工作電壓(2 V至3 V),但其集成優勢非常有吸引力。GaAs擁有微波頻率和5 V至7 V的工作電壓,多年來一直廣泛應用于功率放大器。硅基LDMOS技術的工作電壓為28 V,已經在電信領域使用了許多年,但其主要在4 GHz以下頻率發揮作用,因此在寬帶應用中的使用并不廣泛。新興GaN技術的工作電壓為28 V至50 V,擁有低損耗、高熱傳導基板(如碳化硅,SiC),開啟了一系列全新的可能應用。如今,硅基GaN技術局限于6 GHz以下工作頻率。硅基板相關的RF損耗及其相對SiC的較低熱傳導性能則抵消了增益、效率和隨頻率增加的功率優勢。圖1對比了不同半導體技術并顯示了其相互比較情況。

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圖1. 微波頻率范圍功率電子設備的工藝技術對比。

GaN技術的出現讓業界放棄TWT放大器,轉而使用GaN放大器作為許多系統的輸出級。這些系統中的驅動放大器仍然主要使用GaAs,這是因為這種技術已經大量部署并且始終在改進。下一步,我們將尋求如何使用電路設計,從這些寬帶功率放大器中提取較大功率、帶寬和效率。當然,相比基于GaAs的設計,基于GaN的設計能夠提供更高的輸出功率,并且其設計考慮因素在很大程度上是相同的。

設計考慮因素


選擇如何開始設計以優化功率、效率及帶寬時,IC設計師可以使用不同拓撲及設計考慮因素。最常見的單塊放大器設計類型就是一種多級、共源、基于晶體管的設計,也稱作級聯放大器設計。這里,增益放大器會從每一級增加,從而實現高增益,并允許我們增加輸出晶體管大小,以增加RF功率。GaN在這里提供了一些優勢,因為我們能夠大幅簡化輸出合成器、減少損耗,因而可以提高效率,減小芯片尺寸,如圖2所示。因此,我們能夠實現更寬帶寬并提高性能。從GaAs轉向GaN設備的一個不太明顯的優勢就是,能夠實現給定RF功率水平,可能是4 W。晶體管尺寸將會更小,從而實現更高的每級增益。這將帶來更少的設計級,最終實現更高效率。這些級聯放大器技術的挑戰在于,在不顯著降低功率和效率,甚至在不借助GaN技術的情況下,很難實現倍頻程帶寬。

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圖2. 多級GaAs功率放大器和等效GaN功率放大器的比較。

蘭格耦合器


實現寬帶寬設計的一種方法就是在RF輸入和輸出端使用蘭格耦合器實現均衡設計,如圖3所示。這里的回波損耗最終取決于耦合器設計,因為這將更容易優化增益和頻率功率響應,并且無需優化回波損耗。即便是在使用蘭格耦合器的情況下,也更難實現倍頻程帶寬,但卻可以讓設計實現不錯的回波損耗。

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圖3. 采用蘭格耦合器的均衡放大器。

分布式放大器


另一個要考慮的拓撲就是分布式功率放大器,如圖4所示。分布式功率放大器的優勢可通過在設備間的匹配網絡中應用晶體管的寄生效應來實現。設備的輸入和輸出電容可以分別與柵極和漏極線路電感合并,讓傳輸線路變得幾乎透明,傳輸線路損耗除外。這樣,放大器的增益應該僅受限于設備的跨導性,而非設備相關的電容寄生性能。僅當沿柵極線路向下傳輸的信號與沿漏極線路向下傳輸的信號同相時,才會發生這種情況。因此,每個晶體管的輸出電壓將與之前的晶體管輸出同相。向輸出端傳輸的信號將會積極干擾,因此,信號會隨著漏極線路而增強。任何反向波都會肆意干擾信號,因為這些信號不會同相。其中包含柵極線路端電極,可吸收任何未耦合至晶體管柵極的信號。還包含漏極線路端電極,可吸收任何可能肆意干擾輸出信號并改善低頻率下回波損耗的反向行波。因此,在幾十種帶寬下都可實現從kHz到GHz級的頻率。當需要多個倍頻程帶寬時,這種拓撲就會變得非常受歡迎,并且還帶來了幾個不錯的優勢,如平穩增益、良好的回波損耗、高功率等。圖4顯示了分布式放大器的一個例證。

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圖4. 分布式放大器的簡化框圖。

在這里,分布式放大器面臨的一個挑戰就是,功率功能由設備所使用的電壓決定。由于不存在窄帶調節功能,所以您可以實質上向晶體管提供50 Ω或接近于50 Ω的電阻。在等式1中,PA的平均功率、RL或最佳負載電阻實質上將變成50 Ω。因此,可實現的輸出功率由施加到放大器的電壓設定,所以,如果我們想要增加輸出功率,就需要增加施加到放大器的電壓。

這就是GaN的作用所在,我們可以迅速將帶GaAs的5 V電源電壓轉變成GaN中的28 V電源電壓,并且只需將GaAs轉變成GaN技術,即可將可實現的功率從0.25 W轉變成8 W左右。還要考慮一些其他因素,如GaN中可用工藝的柵極長度,以及它們能否在高頻率帶端實現所需的增益。隨著時間發展,將會出現更多的GaN工藝。

級聯放大器需要通過匹配網絡來優化放大器功率,以此改變晶體管電阻值,相比之下,分布式放大器的50 Ω固定RL有所不同。利用級聯放大器優化晶體管電阻值時存在一個優勢,就是能提高RF功率。理論上,我們可以繼續增加晶體管外設尺寸,從而繼續提高RF功率,但這存在一些實際限制,如復雜性、芯片支持和合并損耗。匹配網絡也會限制帶寬,因為它們很難在廣泛的頻率范圍中提供最佳阻抗。分布式功率放大器中只有傳輸線路,其目的是讓信號積極干擾放大器,并沒有匹配網絡。還有一些技術可以進一步提高分布式放大器的功率,如使用共射共基放大器拓撲來進一步增加放大器的電源電壓。

結果


關于提供最佳功率、效率和帶寬的權衡,我們已經說明了各種不同的技巧和半導體技術。每一種不同拓撲和技術都有可能在半導體市場占據一席之地,這是因為它們每一個都有優勢,這也是它們能夠在當前生存的原因所在。這里,我們將關注幾個值得信賴的結果,展現這些當前技術在實現高功率、效率和帶寬時的可能性。

當前的產品功能


我們將了解ADI公司基于GaAs的分布式功率放大器產品HMC994A,工作頻率范圍為直流至30 GHz。該器件非常有意思,因為它覆蓋了幾十種帶寬、許多不同應用,并且可實現高功率和效率。其性能如圖5所示。在這里,我們看到它是覆蓋MHz至30 GHz、功率附加效率(PAE)典型值為25%的飽和輸出功率大于1瓦的器件。這款產品還擁有標準值為38 dBm的強大的三階交調截點(TOI)性能。結果顯示,利用基于GaAs的設計,我們能夠實現接近于許多窄帶功率放大器設計的效率。HMC994A擁有正向頻率增益斜率、高PAE寬帶功率性能和強大的回波損耗,是一款非常有趣的產品。

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圖5. HMC994A增益、功率以及PAE和頻率的關系。

我們再來了解一下基于GaN技術可以做些什么。ADI公司推出了一款標準產品HMC8205BF10,它基于GaN技術,具有高功率、高效率 和寬帶寬。該產品的工作電源電壓為50 V,在35%的典型頻率下可提供35 W RF功率,帶20 dB左右的功率增益,覆蓋幾十種帶寬。這種情況下,相比類似的GaAs方案,我們只需要一個IC就能提供高出約10倍的功率。在過去數年,這可能需要復雜的GaAs芯片組合方案,并且無法實現相同的效率。該產品展示了使用GaN技術的各種可能性,包括覆蓋寬帶寬,提供高功率和高效率,如圖6所示。這還展現了高功率電子設備封裝技術的發展歷程,因為這個采用法蘭封裝的器件能夠支持許多軍事應用所需的連續波(CW)信號。

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圖6. HMC8205BF10功率增益、PSAT以及PAE和頻率的關系。

總結

GaN等全新半導體材料的出現開啟了實現覆蓋寬帶寬的更高功率水平的可能性。較短的柵極長度GaAs設備的頻率范圍已經從20 GHz擴展到了40 GHz及以上。這些器件的可靠性幾乎已經超過了100萬小時,普遍應用于當今的電子設備系統中。未來,我們預計會持續向更高頻率和更寬帶寬發展。


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