RF功率器件的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

為滿足晶體管用戶的需求，有源器件的功率密度持續(xù)增長(zhǎng)。商用無(wú)線通訊、航空電子、廣播、工業(yè)以及醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)用推動(dòng)固態(tài)功率封裝隨著更小輸出級(jí)器件輸出更高輸出功率的要求而發(fā)展。對(duì)飛思卡爾半導(dǎo)體公司而言，為這些應(yīng)用提供高性能射頻以及微波晶體管并不是一個(gè)大挑戰(zhàn)，該公司的產(chǎn)品在特性、封裝以及應(yīng)用工程方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

飛思卡爾半導(dǎo)體在生產(chǎn)及銷售分立和集成射頻半導(dǎo)體器件方面具有雄厚實(shí)力。該公司采用HV7工藝的第七代硅RF外側(cè)擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)，在3.8GHz范圍內(nèi)具有滿足WiMAX基礎(chǔ)設(shè)施的輸出功率和線性性能。飛思卡爾面向工業(yè)、科學(xué)以及醫(yī)療(ISM)應(yīng)用的高電壓HV7工藝支持48V工作電壓，該公司還將其大功率GaAs PHEMT器件的工作頻率擴(kuò)展到6GHz，可用于WiMAX放大器。

最近，飛思卡爾半導(dǎo)體宣布推出第一款具有100W輸出功率的兩級(jí)射頻集成電路(RF IC)。當(dāng)由該公司高性價(jià)比的MMG3005N通用放大器(GPA)驅(qū)動(dòng)時(shí)，MWE6IC9100N和MW7IC181 00N RF IC構(gòu)成了工作在900和1,800MHz的無(wú)線基站100W功率放大器完整解決方案。

雖然這些分立以及集成RF功率器件的性能非常優(yōu)異，但將這些器件交至客戶手中僅僅是開(kāi)始。事實(shí)上，每次交付使用都將由飛思卡爾的技術(shù)人員提供各種測(cè)試、建模、封裝以及應(yīng)用支持。

RF功率特性

負(fù)載拉移測(cè)量技術(shù)在最近幾年愈來(lái)愈受歡迎，該技術(shù)通常被用來(lái)測(cè)量RF功率放大器的參數(shù)，比如峰值輸出功率、增益，以及在器件參考平面出現(xiàn)的各種復(fù)雜負(fù)載條件下的效率。在同一測(cè)量環(huán)境中采用多種復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)也越來(lái)越普遍。對(duì)大功率RF半導(dǎo)體生產(chǎn)商而言，準(zhǔn)確表征產(chǎn)品的特性還存在困難，與此同時(shí)開(kāi)發(fā)這類器件還必須采用大的外圍設(shè)備。這類設(shè)備一般為60mm，終端阻抗低于0.5Ω，品質(zhì)因數(shù)(Q)在8至10之間。

飛思卡爾公司的射頻部門已開(kāi)發(fā)出幾種增強(qiáng)精度的技術(shù)和以及多種自動(dòng)定制測(cè)量技術(shù)。該部門具有高反射(高γ)負(fù)載拉移實(shí)驗(yàn)室，測(cè)試頻率覆蓋250MHz至8GHz，測(cè)試功率高達(dá)100W連續(xù)功率(CW)(或者500W脈沖功率)，可為該公司的GaAs、GaN和LDMOS器件、建模、應(yīng)用和其它功能小組提供服務(wù)(圖1)。飛思卡爾具有對(duì)0.5Ω以及更低阻抗器件實(shí)現(xiàn)先進(jìn)測(cè)量的能力，為此該公司開(kāi)發(fā)出了一系列專門測(cè)試設(shè)備來(lái)優(yōu)化阻抗變換比，將50Ω系統(tǒng)特性阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠊β示w管負(fù)載拉移測(cè)量所需的低阻抗。

除基于夾具的系統(tǒng)外，飛思卡爾還采用基于商用晶圓探針測(cè)試設(shè)備的晶圓上負(fù)載拉移系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于器件的研究、開(kāi)發(fā)及建模。晶圓上負(fù)載拉移系統(tǒng)采用獨(dú)特的三維抗振動(dòng)機(jī)制來(lái)減小調(diào)諧振動(dòng)的影響，從而將探針到晶圓的接觸損傷降至最小。

飛思卡爾半導(dǎo)體公司的負(fù)載拉移系統(tǒng)具有很高的精度，通常在γ值最大(0.93至0.95或Smit*邊沿)的情況下，傳感器差分增益ΔGt小于0.25dB，并且在測(cè)量區(qū)域內(nèi)小于0.1dB。這一精度水平是通過(guò)在所有測(cè)量參考面采用高精度的7mm同軸連接器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些連接器的在2GHz下的電壓駐波比(VSWR)一般為1.008:1。另外一些特性也為達(dá)到這個(gè)精度提供了保障，這些特性包括：中心接觸阻抗小于0.1mΩ、良好的校正特性、單元至單元阻抗變化小于0.1%、在18GHz頻率下的相變小于0.21度。

結(jié)合使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與負(fù)載拉移測(cè)試系統(tǒng)，并采用穿透-反射-線(TRL)校正法，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于45dB的源匹配。與其VNA校正方法，如短路-開(kāi)路-負(fù)載-穿透(SOLT)法相比，TRL校正法不受高頻下校正負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)的寄生電路元件(固有的額外電容及電感)的影響。

通常，對(duì)每個(gè)調(diào)諧器要測(cè)試5,000至6,000個(gè)阻抗點(diǎn)，從而確保阻抗點(diǎn)在源和負(fù)載阻抗平面內(nèi)均勻分布。當(dāng)非匹配外圍設(shè)備的終端阻抗很低時(shí)，這些設(shè)備對(duì)很小的阻抗變化非常敏感，因此對(duì)它們的測(cè)試需要高密度的測(cè)試點(diǎn)。在*估包含封裝匹配部分的阻抗較高的產(chǎn)品時(shí)，不要求如此高的測(cè)試密度，此時(shí)可以進(jìn)行測(cè)試點(diǎn)稀疏的負(fù)載拉移測(cè)試。

典型的負(fù)載拉移設(shè)置如圖2所示。在飛思卡爾，采用負(fù)載拉移系統(tǒng)來(lái)*價(jià)器件的峰值脈沖壓縮、AM-AM轉(zhuǎn)換、AM-PM轉(zhuǎn)換、頻率響應(yīng)以及大信號(hào)器件輸入阻抗等。該系統(tǒng)也可以用于復(fù)合信號(hào)的測(cè)量，以確定平均和峰值功率、鄰道功率(ACP)、雙音和多音交調(diào)失真(IMD)測(cè)試等，并*估器件在EDGE信號(hào)不同負(fù)載條件下的行為。飛思卡爾還進(jìn)行器件信號(hào)功率的互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)分析。CCDF測(cè)試是常見(jiàn)的第二代(2G)和第三代(3G)無(wú)線測(cè)量。實(shí)現(xiàn)CW、脈沖以及調(diào)制信號(hào)測(cè)量的要求來(lái)自于這些信號(hào)在器件上產(chǎn)生不同熱負(fù)載的事實(shí)，因此，對(duì)每個(gè)調(diào)制格式優(yōu)化的負(fù)載阻抗也是不同的，如圖3所示。除這一廣泛的測(cè)量能力以外，飛思卡爾已開(kāi)發(fā)了獨(dú)具價(jià)值的數(shù)據(jù)輸入和后處理工具，使用戶能夠快速分析二維或三維平面下被測(cè)試器件(DUT)的行為(圖4)。

脈沖VNA負(fù)載拉移技術(shù)被用來(lái)測(cè)量飛思卡爾公司廣泛的功率晶體管產(chǎn)品，包括170W WCDMA器件MRF7S21170H。該器件的負(fù)載拉移功率等高線顯示，1dB壓縮點(diǎn)的脈沖輸出功率高于+53dBm(200W)，2.14GHz頻率下的增益為19.94dB(圖5)。由于具有這些技術(shù)，MRF7S21170H的最終匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)變成非常簡(jiǎn)單，只需為同時(shí)優(yōu)化功率密度、增益、效率，以及綜合的匹配網(wǎng)絡(luò)而選擇負(fù)載和源阻抗。

功率器件的建模

設(shè)計(jì)面向現(xiàn)代通訊和廣播系統(tǒng)、工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療應(yīng)用，以及航空電子和雷達(dá)市場(chǎng)的RF功率放大器(PA)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)工程師必須滿足提高RF功率放大器能效的目標(biāo)，并同時(shí)滿足嚴(yán)格的調(diào)節(jié)(比如線性)和對(duì)更低成本放大器的需求。

基于AB類工作模式的傳統(tǒng)放大器正被采用Doherty和包絡(luò)跟蹤等結(jié)構(gòu)的效率更高的設(shè)計(jì)所代替，后者可以工作在非線性模式下，例如D類、E類、F類以及其它工作模式等。效率更高、線性度更高、成本更低，這些相互矛盾的要求意味著設(shè)計(jì)工程師必須進(jìn)行多方面的折衷。如此艱巨的任務(wù)只能采用基于經(jīng)驗(yàn)或“試湊”的辦法來(lái)完成。設(shè)計(jì)工程師必須轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)以及電路仿真來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在射頻功率放大器設(shè)計(jì)中越來(lái)越多地采用CAD方法，使得設(shè)計(jì)更多地依賴于精確晶體管模型。越來(lái)越多的公司利用CAD方法來(lái)顯著縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并增加設(shè)計(jì)的魯棒性以應(yīng)對(duì)工藝和生產(chǎn)參數(shù)的變化。對(duì)半導(dǎo)體生產(chǎn)商而言，及時(shí)提供精確、非線性、電熱模型已成為在可相互替代的供應(yīng)商中脫穎而出的關(guān)鍵。

采用飛思卡爾的大功率射頻晶體管的功率放大器設(shè)計(jì)工程師，可以得到飛思卡爾具有全面經(jīng)驗(yàn)的射頻建模團(tuán)隊(duì)的技術(shù)支持，并獲得非線性電熱晶體管模型?？梢詮脑摴镜腞F大功率模型庫(kù)www.freescale.com/rf/models在線獲得模型。很多CAD工具都支持這些模型，包括安捷倫的EEsof ADS和Genesys、Advanced Wave Research公司的Microwave Office、AWR公司的Analog Design Tool、Ansoft公司的Ansoft Designer。

具有封裝內(nèi)匹配網(wǎng)絡(luò)的典型分立射頻晶體管如圖6所示。這個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)通過(guò)將晶體管裸片的低輸入阻抗和輸出阻抗轉(zhuǎn)換為更實(shí)用的輸入阻抗和輸出阻抗值，來(lái)提高產(chǎn)品的易用性及性能。這些匹配網(wǎng)絡(luò)采用小直徑邦定線和金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容來(lái)構(gòu)建，最大的射頻/微波功率晶體管包含有100到200個(gè)邦定線和幾個(gè)MOS電容。大功率RF IC則采用片內(nèi)螺旋電感、電容和傳輸線來(lái)構(gòu)建匹配網(wǎng)絡(luò)。

匹配網(wǎng)絡(luò)引入了高Q值諧振電路，以進(jìn)行所需的阻抗變換。邦定線陣列的輕微變化會(huì)導(dǎo)致諧振頻率偏移，這可能影響匹配網(wǎng)絡(luò)的特性。在許多應(yīng)用中，由于邦定線僅提供封裝引腳和封裝內(nèi)半導(dǎo)體器件之間的導(dǎo)電互連，所以被看作是寄生元件的一部分。但在RF功率晶體管中，邦定線不再是寄生元件，而是設(shè)計(jì)不可分割的一部分，因此必須對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確建模。

大功率RF和微波半導(dǎo)體晶體管一般采用氣腔封裝或超模壓塑料封裝(OMP)。這些封裝可保護(hù)內(nèi)部電路免于外界環(huán)境的影響，并有助于消除晶體管有源電路