RF功率器件的設計及應用

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。商用無線通訊、航空電子、廣播、工業(yè)以及醫(yī)療系統應用推動固態(tài)功率封裝隨著更小輸出級器件輸出更高輸出功率的要求而發(fā)展。對飛思卡爾半導體公司而言，為這些應用提供高性能射頻以及微波晶體管并不是一個大挑戰(zhàn)，該公司的產品在特性、封裝以及應用工程方面具有明顯優(yōu)勢。

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

最近，飛思卡爾半導體宣布推出第一款具有100W輸出功率的兩級射頻集成電路(RF IC)。當由該公司高性價比的MMG3005N通用放大器(GPA)驅動時，MWE6IC9100N和MW7IC181 00N RF IC構成了工作在900和1,800MHz的無線基站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始。事實上，每次交付使用都將由飛思卡爾的技術人員提供各種測試、建模、封裝以及應用支持。

RF功率特性

負載拉移測量技術在最近幾年愈來愈受歡迎，該技術通常被用來測量RF功率放大器的參數，比如峰值輸出功率、增益，以及在器件參考平面出現的各種復雜負載條件下的效率。在同一測量環(huán)境中采用多種復雜的調制信號也越來越普遍。對大功率RF半導體生產商而言，準確表征產品的特性還存在困難，與此同時開發(fā)這類器件還必須采用大的外圍設備。這類設備一般為60mm，終端阻抗低于0.5Ω，品質因數(Q)在8至10之間。

飛思卡爾公司的射頻部門已開發(fā)出幾種增強精度的技術和以及多種自動定制測量技術。該部門具有高反射(高γ)負載拉移實驗室，測試頻率覆蓋250MHz至8GHz，測試功率高達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、應用和其它功能小組提供服務(圖1)。飛思卡爾具有對0.5Ω以及更低阻抗器件實現先進測量的能力，為此該公司開發(fā)出了一系列專門測試設備來優(yōu)化阻抗變換比，將50Ω系統特性阻抗轉變?yōu)榇蠊β示w管負載拉移測量所需的低阻抗。

除基于夾具的系統外，飛思卡爾還采用基于商用晶圓探針測試設備的晶圓上負載拉移系統，該系統主要用于器件的研究、開發(fā)及建模。晶圓上負載拉移系統采用獨特的三維抗振動機制來減小調諧振動的影響，從而將探針到晶圓的接觸損傷降至最小。

飛思卡爾半導體公司的負載拉移系統具有很高的精度，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，并且在測量區(qū)域內小于0.1dB。這一精度水平是通過在所有測量參考面采用高精度的7mm同軸連接器來實現的，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到這個精度提供了保障，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。

結合使用矢量網絡分析儀與負載拉移測試系統，并采用穿透-反射-線(TRL)校正法，可實現優(yōu)于45dB的源匹配。與其VNA校正方法，如短路-開路-負載-穿透(SOLT)法相比，TRL校正法不受高頻下校正負載標準的寄生電路元件(固有的額外電容及電感)的影響。

通常，對每個調諧器要測試5,000至6,000個阻抗點，從而確保阻抗點在源和負載阻抗平面內均勻分布。當非匹配外圍設備的終端阻抗很低時，這些設備對很小的阻抗變化非常敏感，因此對它們的測試需要高密度的測試點。在*估包含封裝匹配部分的阻抗較高的產品時，不要求如此高的測試密度，此時可以進行測試點稀疏的負載拉移測試。

典型的負載拉移設置如圖2所示。在飛思卡爾，采用負載拉移系統來*價器件的峰值脈沖壓縮、AM-AM轉換、AM-PM轉換、頻率響應以及大信號器件輸入阻抗等。該系統也可以用于復合信號的測量，以確定平均和峰值功率、鄰道功率(ACP)、雙音和多音交調失真(IMD)測試等，并*估器件在EDGE信號不同負載條件下的行為。飛思卡爾還進行器件信號功率的互補累積分布函數(CCDF)分析。CCDF測試是常見的第二代(2G)和第三代(3G)無線測量。實現CW、脈沖以及調制信號測量的要求來自于這些信號在器件上產生不同熱負載的事實，因此，對每個調制格式優(yōu)化的負載阻抗也是不同的，如圖3所示。除這一廣泛的測量能力以外，飛思卡爾已開發(fā)了獨具價值的數據輸入和后處理工具，使用戶能夠快速分析二維或三維平面下被測試器件(DUT)的行為(圖4)。

脈沖VNA負載拉移技術被用來測量飛思卡爾公司廣泛的功率晶體管產品，包括170W WCDMA器件MRF7S21170H。該器件的負載拉移功率等高線顯示，1dB壓縮點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，MRF7S21170H的最終匹配網絡設計變成非常簡單，只需為同時優(yōu)化功率密度、增益、效率，以及綜合的匹配網絡而選擇負載和源阻抗。

功率器件的建模

設計面向現代通訊和廣播系統、工業(yè)、科學和醫(yī)療應用，以及航空電子和雷達市場的RF功率放大器(PA)是一個很大的挑戰(zhàn)，設計工程師必須滿足提高RF功率放大器能效的目標，并同時滿足嚴格的調節(jié)(比如線性)和對更低成本放大器的需求。

基于AB類工作模式的傳統放大器正被采用Doherty和包絡跟蹤等結構的效率更高的設計所代替，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計工程師必須進行多方面的折衷。如此艱巨的任務只能采用基于經驗或“試湊”的辦法來完成。設計工程師必須轉向計算機輔助設計(CAD)技術以及電路仿真來優(yōu)化設計。在射頻功率放大器設計中越來越多地采用CAD方法，使得設計更多地依賴于精確晶體管模型。越來越多的公司利用CAD方法來顯著縮短產品上市時間，并增加設計的魯棒性以應對工藝和生產參數的變化。對半導體生產商而言，及時提供精確、非線性、電熱模型已成為在可相互替代的供應商中脫穎而出的關鍵。

采用飛思卡爾的大功率射頻晶體管的功率放大器設計工程師，可以得到飛思卡爾具有全面經驗的射頻建模團隊的技術支持，并獲得非線性電熱晶體管模型。可以從該公司的RF大功率模型庫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。

具有封裝內匹配網絡的典型分立射頻晶體管如圖6所示。這個匹配網絡通過將晶體管裸片的低輸入阻抗和輸出阻抗轉換為更實用的輸入阻抗和輸出阻抗值，來提高產品的易用性及性能。這些匹配網絡采用小直徑邦定線和金屬氧化物半導體(MOS)電容來構建，最大的射頻/微波功率晶體管包含有100到200個邦定線和幾個MOS電容。大功率RF IC則采用片內螺旋電感、電容和傳輸線來構建匹配網絡。

匹配網絡引入了高Q值諧振電路，以進行所需的阻抗變換。邦定線陣列的輕微變化會導致諧振頻率偏移，這可能影響匹配網絡的特性。在許多應用中，由于邦定線僅提供封裝引腳和封裝內半導體器件之間的導電互連，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，而是設計不可分割的一部分，因此必須對其進行準確建模。

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