一種基于LDMOS器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升功率放大器功率附加效率 的方法
吳錦帆(電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院??四川??成都??610054)
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202005/413605.htm摘?要:本文介紹了一種通過(guò)改進(jìn)LDMOS的器件結(jié)構(gòu),提升以LDMOS搭建的功率放大器的功率附加效率大信號(hào)指標(biāo)的方法。在器件仿真環(huán)境中,通過(guò)對(duì)LDMOS的漂移區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提升器件的小信號(hào)增益,然后利用器件等效建模技術(shù),在電路仿真環(huán)境中,搭建出功率放大器進(jìn)行大信號(hào)仿真,在相同的工作條件下功率附加效率提升了約5%左右。
0 引言
橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(RFLDMOS)作為一種應(yīng)用在射頻放大器電路中的晶體管,最能體現(xiàn)出其性能的器件參數(shù)有輸出功率,漏極效率,功率增益等,提高器件的這些參數(shù)一直以來(lái)是RFLDMOS研究者們的努力的方向,而隨著射頻終端數(shù)量的增加,用戶對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和容量的要求越來(lái)越高,射頻電路一直有著向高頻率高效率的趨勢(shì)發(fā)展 [1] 。功率附加效率作為射頻功率放大器的大信號(hào)指標(biāo)之一,射頻功率放大器具備較高的功率附加效率意味著系統(tǒng)需要更小的直流功率供給就可以產(chǎn)生較大的輸出功率用于RF信號(hào)源的放大。同時(shí)也意味著器件在工作的過(guò)程中,由于晶體管自身的熱阻所產(chǎn)生的熱消耗將降低,器件的工作壽命也會(huì)相應(yīng)得延長(zhǎng) [2] 。因此,功率附加效率的提升不僅意味著輸出功率的提升,同時(shí)也延長(zhǎng)了器件的工作壽命。
針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出了一種基于LDMOS器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案,通過(guò)大信號(hào)與小信號(hào)等效模型進(jìn)行建模的方式,提升以LDMOS作為功率晶體管的射頻功率放大器的功率附加效率。文章第2節(jié)主要描述該方法的工作原理及流程;第3節(jié)給出LDMOS器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案;第4節(jié)給出等效模型建模方法;第5節(jié)給出功率放大器仿真結(jié)果。
1 功率附加效率提升方法原理
如圖1所示,功率附加效率指標(biāo)提升的方法主要分為兩個(gè)階段,功率器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段與射頻功率放大器設(shè)計(jì)階段。在功率器件設(shè)計(jì)階段,利用半導(dǎo)體工藝模擬以及器件模擬工具(TCAD)仿真軟件進(jìn)行器件仿真模型的建立,其中在完成實(shí)際工藝與仿真軟件參數(shù)的校準(zhǔn)之后,實(shí)現(xiàn)功率器件結(jié)構(gòu)的建模以及器件電學(xué)特性的仿真,獲得器件的大信號(hào)直流特性以及交流小信號(hào)特性。以器件的直流特性與交流特性作為連接電路仿真與器件仿真的橋梁,通過(guò)搭建電學(xué)特性等效模型,達(dá)到在射頻電路仿真環(huán)境中功率器件的等效還原的目的。在射頻功率放大器設(shè)計(jì)階段,利用電路仿真軟件,完成射頻功率放大器的搭建以及大信號(hào)指標(biāo)的仿真,通過(guò)調(diào)整電學(xué)特性等效模型實(shí)現(xiàn)功率放大器大信號(hào)指標(biāo)的優(yōu)化,并根據(jù)電學(xué)特性的優(yōu)化目標(biāo)指導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)射頻功率放大器的功率附加效率的提升。
2 功率器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化
LDMOS基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由P_sinker,源極(Source),柵極(Gate),橫向漂移區(qū)(LDD),漏極(Drain)幾個(gè)部分組成,其中通過(guò)高能離子注入形成P_sinker將器件的源極與襯底進(jìn)行了連接,通過(guò)背面減薄和背金工藝形成了背面源電極,減少了電極的數(shù)量以及襯底與源極的鍵合連線,降低了寄生的電感與電容,LDD的存在利用RESURF表面電場(chǎng)的原理提升了LDMOS的擊穿電壓,保證了器件能夠在高壓RF的用途。而本文中通過(guò)將LDD區(qū)進(jìn)行水平分層,分為L(zhǎng)DD1,LDD2,其中LDD1為相對(duì)低濃度的n摻雜,LDD2維持與原來(lái)結(jié)構(gòu)相同的n摻雜濃度,保證了擊穿電壓與器件導(dǎo)通電阻的不變。低摻雜LDD1的存在降低了右側(cè)溝道與LDD區(qū)交界的pn結(jié)擴(kuò)散電容 C gd 改善了器件的小信號(hào)特性。在相同的偏置電流I ds =0.18 A,中心頻率為f = 450 MHz,使用右側(cè)的新結(jié)構(gòu)相比原先結(jié)構(gòu)的S21提升了約12%。
3 功率器件等效模型的搭建
電學(xué)特性等效模型如圖3所示,其中,小信號(hào)等效模型和大信號(hào)等效模型結(jié)構(gòu)是一致的,兩者不同的地方在于,大信號(hào)等效模型的本征部分是時(shí)變的,即虛線框內(nèi)的本征部分受到端口電壓的改變而改變,而小信號(hào)的等效模型在固定的偏置點(diǎn)和工作頻率下是恒定的。
該模型主要分為兩部分,其中虛線框內(nèi)的部分為器件的本征部分,受器件的偏置和工作頻率的改變而改變,器件的大信號(hào)直流模型表現(xiàn)為一個(gè)壓控流源,而小信號(hào)模型表現(xiàn)為一個(gè)恒流源。虛線框外的為器件的寄生參數(shù)部分,主要為器件進(jìn)行封裝時(shí)產(chǎn)生的電阻和電感以及PAD對(duì)地耦合產(chǎn)生的寄生電容,寄生參數(shù)部分對(duì)偏置和工作頻率不敏感 [3] 。
器件的大信號(hào)非線性直流特性通常采用非線性經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛠?lái)建模,非線性經(jīng)驗(yàn)?zāi)P褪且詫?shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)擬合I-V特性曲線的數(shù)據(jù)來(lái)確定經(jīng)驗(yàn)?zāi)P椭泄剿枰膮?shù)。將RFLDMOS典型的轉(zhuǎn)移特性曲線,分為四個(gè)區(qū):截止區(qū)、二次區(qū)、線性區(qū)和電流壓縮區(qū) [4] 。
在截止區(qū),RFLDMOS器件的漏極電流隨柵極電壓呈指數(shù)變化,此時(shí)的漏極電流有如下形式:
當(dāng)柵極電壓逐漸增大,LDMOS器件進(jìn)入二次區(qū),此時(shí)的器件跨導(dǎo)隨柵極電壓線性增加,漏極電流與柵極電壓的平方呈正比。從LDMOS器件的截至區(qū)過(guò)渡到二次區(qū)漏極電流可統(tǒng)一表示為
V st 表征器件開(kāi)啟的陡峭程度,V t 為L(zhǎng)DMOS的閾值電壓, V st 和β的數(shù)值根據(jù)LDMOS的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到 [5] 。
RFLDMOS的線性區(qū)電流表達(dá)式為
在LDMOS電流壓縮區(qū),由于跨導(dǎo)的降低,漏極電流不再隨柵極電壓增加而線性增加,飽和區(qū)電流公式如下所示:
結(jié)合公式(1)~(7),在MATLAB工具中對(duì)器件的測(cè)試曲線進(jìn)行了擬合,擬合結(jié)果如圖4所示,模型可以較好地?cái)M合器件的直流特性。
在ADS仿真軟件中搭建小信號(hào)等效模型,擬合結(jié)果如圖5所示,小信號(hào)模型計(jì)算結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果擬合程度良好,該小信號(hào)模型基本可以表征實(shí)際器件的端口特性。
4 功率放大器仿真結(jié)果與分析
在ADS電路仿真中,將搭建好的LDMOS器件模型進(jìn)行輸入輸出匹配,完成功率放大器的搭建,并進(jìn)行大信號(hào)仿真。結(jié)果如圖6所示,通過(guò)器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,當(dāng)小信號(hào)模型中的 C gd 降低12%,在相同的匹配電路以及工作偏置條件下,可以實(shí)現(xiàn)Pout與PAE的整體提升其中,改進(jìn)后的PAE相比于原來(lái)提升5%左右,Pout提升約1 dBm左右。
5 結(jié)論
隨著射頻終端數(shù)量的增加,射頻電路一直有著向高頻率高效率的趨勢(shì)發(fā)展。在射頻功率放大器電路中,功率晶體管作為放大器的核心元件,其端口阻抗及寄生參數(shù)不僅影響著放大電路的端口阻抗,電學(xué)參數(shù)特性的改變不僅會(huì)對(duì)匹配情況造成改變,也會(huì)對(duì)功率附件效率、功率增益等大信號(hào)特性造成影響。本文介紹了一種通過(guò)改進(jìn)LDMOS器件結(jié)構(gòu),提升以LDMOS為功率晶體管的功率放大器的功率附加效率的方法,通過(guò)對(duì)LDMOS器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了放大器功率附加效率的提升。
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?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第06期第xx頁(yè),歡迎您寫論文時(shí)引用,并注明出處。)
評(píng)論