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如何使用GaN提高RF功率放大器的帶寬和功率

1944733 2020-10-16 | pdf | 0.28 MB | 次下載 | 1積分

資料介紹

　　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。

　　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。