RF功率器件的设计及应用

RF功率器件的设计及应用为满足晶体管用户的需求，有源器件的功率密度持续增长。商用无线通讯、航空电子、广播、工业以及医疗系统应用推动固态功率封装随着更小输出级器件输出更高输出功率的要求而发展。对飞思卡尔半导体公司而言，为这些应用提供高性能射频以及微波晶体管并不是一个大挑战，该公司的产品在特性、封装以及应用工程方面具有明显优势。飞思卡尔半导体在生产及销售分立和集成射频半导体器件方面具有雄厚实力。该公司采用HV7工艺的第七代硅RF外侧扩散金属氧化物半导体(LDMOS)，在3.8GHz范围内具有满足WiMAX基础设施的输出功率和线性性能。飞思卡尔面向工业、科学以及医疗(ISM)应用的高电压HV7工艺支持48V工作电压，该公司还将其大功率GaAsPHEMT器件的工作频率扩展到6GHz，可用于WiMAX放大器。最近，飞思卡尔半导体宣布推出第一款具有100W输出功率的两级射频集成电路(RFIC)。当由该公司高性价比的MMG3005N通用放大器(GPA)驱动时，MWE6IC9100N和MW7IC18100NRFIC构成了工作在900和1,800MHz的无线基站100W功率放大器完整解决方案。虽然这些分立以及集成RF功率器件的性能非常优异，但将这些器件交至客户手中仅仅是开始。事实上，每次交付使用都将由飞思卡尔的技术人员提供各种测试、建模、封装以及应用支持。RF功率特性负载拉移测量技术在最近几年愈来愈受欢迎，该技术通常被用来测量RF功率放大器的参数，比如峰值输出功率、增益，以及在器件参考平面出现的各种复杂负载条件下的效率。在同一测量环境中采用多种复杂的调制信号也越来越普遍。对大功率RF半导体生产商而言，准确表征产品的特性还存在困难，与此同时开发这类器件还必须采用大的外围设备。这类设备一般为60mm，终端阻抗低于0.5Ω，品质因数(Q)在8至10之间。飞思卡尔公司的射频部门已开发出几种增强精度的技术和以及多种自动定制测量技术。该部门具有高反射(高γ)负载拉移实验室，测试频率覆盖250MHz至8GHz，测试功率高达100W连续功率(CW)(或者500W脉冲功率)，可为该公司的GaAs、GaN和LDMOS器件、建模、应用和其它功能小组提供服务(图1)。飞思卡尔具有对0.5Ω以及更低阻抗器件实现先进测量的能力，为此该公司开发出了一系列专门测试设备来优化阻抗变换比，将50Ω系统特性阻抗转变为大功率晶体管负载拉移测量所需的低阻抗。除基于夹具的系统外，飞思卡尔还采用基于商用晶圆探针测试设备的晶圆上负载拉移系统，该系统主要用于器件的研究、开发及建模。晶圆上负载拉移系统采用独特的三维抗振动机制来减小调谐振动的影响，从而将探针到晶圆的接触损伤降至最小。飞思卡尔半导体公司的负载拉移系统具有很高的精度，通常在γ值最大(0.93至0.95或Smith图边沿)的情况下，传感器差分增益ΔGt小于0.25dB，并且在测量区域内小于0.1dB。这一精度水平是通过在所有测量参考面采用高精度的7mm同轴连接器来实现的，这些连接器的在2GHz下的电压驻波比(VSWR)一般为1.008:1。另外一些特性也为达到这个精度提供了保障，这些特性包括：中心接触阻抗小于0.1mΩ、良好的校正特性、单元至单元阻抗变化小于0.1%、在18GHz频率下的相变小于0.21度。结合使用矢量网络分析仪与负载拉移测试系统，并采用穿透-反射-线(TRL)校正法，可实现优于45dB的源匹配。与其VNA校正方法，如短路-开路-负载-穿透(SOLT)法相比，TRL校正法不受高频下校正负载标准的寄生电路元件(固有的额外电容及电感)的影响。通常，对每个调谐器要测试5,000至6,000个阻抗点，从而确保阻抗点在源和负载阻抗平面内均匀分布。当非匹配外围设备的终端阻抗很低时，这些设备对很小的阻抗变化非常敏感，因此对它们的测试需要高密度的测试点。在评估包含封装匹配部分的阻抗较高的产品时，不要求如此高的测试密度，此时可以进行测试点稀疏的负载拉移测试。典型的负载拉移设置如图2所示。在飞思卡尔，采用负载拉移系统来评价器件的峰值脉冲压缩、AM-AM转换、AM-PM转换、频率响应以及大信号器件输入阻抗等。该系统也可以用于复合信号的测量，以确定平均和峰值功率、邻道功率(ACP)、双音和多音交调失真(IMD)测试等，并评估器件在EDGE信号不同负载条件下的行为。飞思卡尔还进行器件信号功率的互补累积分布函数(CCDF)分析。CCDF测试是常见的第二代(2G)和第三代(3G)无线测量。实现CW、脉冲以及调制信号测量的要求来自于这些信号在器件上产生不同热负载的事实，因此，对每个调制格式优化的负载阻抗也是不同的，如图3所示。除这一广泛的测量能力以外，飞思卡尔已开发了独具价值的数据输入和后处理工具，使用户能够快速分析二维或三维平面下被测试器件(DUT)的行为(图4)。脉冲VNA负载拉移技术被用来测量飞思卡尔公司广泛的功率晶体管产品，包括170WWCDMA器件MRF7S21170H。该器件的负载拉移功率等高线显示，1dB压缩点的脉冲输出功率高于+53dBm(200W)，2.14GHz频率下的增益为19.94dB(图5)。由于具有这些技术，MRF7S21170H的最终匹配网络设计变成非常简单，只需为同时优化功率密度、增益、效率，以及综合的匹配网络而选择负载和源阻抗。功率器件的建模设计面向现代通讯和广播系统、工业、科学和医疗应用，以及航空电子和雷达市场的RF功率放大器(PA)是一个很大的挑战，设计工程师必须满足提高RF功率放大器能效的目标，并同时满足严格的调节(比如线性)和对更低成本放大器的需求。基于AB类工作模式的传统放大器正被采用Doherty和包络跟踪等结构的效率更高的设计所代替，后者可以工作在非线性模式下，例如D类、E类、F类以及其它工作模式等。效率更高、线性度更高、成本更低，这些相互矛盾的要求意味着设计工程师必须进行多方面的折衷。如此艰巨的任务只能采用基于经验或“试凑”的办法来完成。设计工程师必须转向计算机辅助设计(CAD)技术以及电路仿真来优化设计。在射频功率放大器设计中越来越多地采用CAD方法，使得设计更多地依赖于精确晶体管模型。越来越多的公司利用CAD方法来显著缩短产品上市时间，并增加设计的鲁棒性以应对工艺和生产参数的变化。对半导体生产商而言，及时提供精确、非线性、电热模型已成为在可相互替代的供应商中脱颖而出的关键。采用飞思卡尔的大功率射频晶体管的功率放大器设计工程师，可以得到飞思卡尔具有全面经验的射频建模团队的技术支持，并获得非线性电热晶体管模型。可以从该公司的RF大功率模型库/rf/models在线获得模型。很多CAD工具都支持这些模型，包括安捷