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标题: 揭秘RF功率器件的设计及应用要点 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 22:37
标题: 揭秘RF功率器件的设计及应用要点
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GaAs PHEMT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(RF IC)。当由该公司高性价比的MMG3005N通用放大器(GPA)驱动时，MWE6IC9100N和MW7IC181 00N RF IC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170W WCDMA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www.freescale.com/rf/models在线获得模型。很多CAD工具都支持这些模型，包括安捷伦的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。

具有封装内匹配网络的典型分立射频晶体管如图6所示。这个匹配网络通过将晶体管裸片的低输入阻抗和输出阻抗转换为更实用的输入阻抗和输出阻抗值，来提高产品的易用性及性能。这些匹配网络采用小直径邦定线和金属氧化物半导体(MOS)电容来构建，最大的射频/微波功率晶体管包含有100到200个邦定线和几个MOS电容。大功率RF IC则采用片内螺旋电感、电容和传输线来构建匹配网络。
匹配网络引入了高Q值谐振电路，以进行所需的阻抗变换。邦定线阵列的轻微变化会导致谐振频率偏移，这可能影响匹配网络的特性。在许多应用中，由于邦定线仅提供封装引脚和封装内半导体器件之间的导电互连，所以被看作是寄生元件的一部分。但在RF功率晶体管中，邦定线不再是寄生元件，而是设计不可分割的一部分，因此必须对其进行准确建模。

      大功率RF和微波半导体晶体管一般采用气腔封装或超模压塑料封装(OMP)。这些封装可保护内部电路免于外界环境的影响，并有助于消除晶体管有源电路区所产生的热量。此外，这些封装还是低损耗匹配网络的组成部分。在所有半导体器件中，用在无线基础设施的晶体管产生的热量最大，而且重要的是，这种自热效应已体现在非线性晶体管模型中。
      开发这些封装晶体管的非线性电热模型，使最复杂的测量和仿真技术成为可能。成功的建模还必须解决一些问题，包括匹配网络中组成部分之间以及邦定线阵列之间的电磁交互作用、热管理、器件热模型与电模型的自相容集成，以及建立晶体管本身的非线性模型等。
      飞思卡尔采用分割的方法来开发模型，在这种方法中，封装晶体管被认为是可以分为更小组成部分的系统，如图7所示。每个组件被分别建模，然后独立的模型被集成到代表封装器件的单一模型中。这种方法降低了计算负荷并建模复杂性，并表征了内部器件耦合的特性。这些特性包括在最终的模型中，以提高仿真精度。

      封装晶体管模型的核心是本征晶体管的非线性模型，这个非线性模型是从与偏置有关的S参数测量中提取出来的。精密的分层(deem-bedding)技术被用来描述和去除多重性以及外部组成部分，从而提取非线性模型。飞思卡尔采用Root模型和MET型来描述非线性模型。MET模型的热模型是通过改变裸片温度范围的测量来决定的，并且与非线性点模型自相容地耦合。在普通CAD工具中，MET模型是RF功率晶体管的事实标准非线性模型。
      在封装内匹配网络中，无源器件的模型是由线性S参数测量和电磁仿真决定的。利用高精度红外(IR)显微镜的测量结构生成封装和散热器的热模型。
      当模型生成之后，通过比较模型预测与在模型生成中未被采用的独立测量数据，开始确认模型工作的最后步骤。飞思卡尔基于其负荷拉移测量能力，制订出一套行之有效的方法来确认它的大信号模型。本质上说，CAD工具被用来模仿大功率器件在负载拉移测试期间观察到的环境。在非线性谐波平衡仿真过程中，对基频和谐波频率下的待测器件(DUT)的负载拉移S参数进行同步，以提出负载阻抗。测量和建模能力的配合有助于优化模型，以匹配测量结果。
      图8和图9是与图6类似的硅LDMOS晶体管模型确认的例子。该器件已经被设计用于860和960MHz频段N-CDMA、GSM和GSM/EDGE基站应用，且在典型的GSM应用中具有28V电源电压和1,200mA静态漏电流。该晶体管在1dB压缩点能提供160WCW功率。该晶体管包括三个有源裸片，具有大约270mm的栅长。封装中包括了输入匹配网络，这个T型网络采用78个邦定线和MOS电容。组成组成部分的模型如前所述，然后利用这些组成部分构建完整的模型。确认部分包括了大信号模型和双音仿真，它在脉冲条件下实现，以提供恒温环境。在同样热条件以及输入和输出负载条件下进行了负载拉移测量，并将测试结果与仿真结果比较。输出功率、三阶互调失真(IM3)、功率附加效率(PAE)以及转换器增益的测量和仿真如图8和9所示。采用分别在最大功率附加效率和最大输出功率下谐振的已封装晶体管，来实现功率扫描或拉升测量。在测试条件范围内，测量和仿真结果非常吻合。

塑料封装
大功率RF和微波半导体晶体管一般采用OMP封装或气腔封装封装。用于大功率RF和微波应用的晶体管要消耗大量的功率，因此它工作时的结温很高。在封装设计过程中，必须遵守严格的热机械设计要求，以确保该封装可以发散晶体管产生的大量热量，而不会使其电性能下降。此外，封装必须坚固，具有很高的机械强度以保证蜂窝基站和广播系统的可靠性。
典型的气腔封装和OMP封装如图10所示。塑料封装晶体管的内部成分是超模压低损耗塑料材料。虽然新的功能性更强的多级大功率RF IC具有更多引脚，但大部分大功率晶体管封装采用两个或四个引脚。封装针对引脚而设计，以便放置在PCB顶层微带传输线上。法兰焊盘的背面一侧接触功率放大器的散热器，形成与微带线底面连接器相连的导电连接，以及与散热器连接的导热连接，后者使得热量从封装晶体管传导出去。

      气腔封装是最昂贵的功率晶体管封装形式，这归结于气腔封装所采用的材料。由于功率晶体管是RF功率放大器中最贵的组成部分，所以这些气腔封装通常是设计和材料开发过程中降低成本的目标。

      过去六年以来，飞思卡尔已经系统地重新对气腔封装进行工程化，采用新的材料进行设计，以提高性能并将降低封装成本。2004年，飞思卡尔在其封装中对散热器材料做了改变，将热性能提高了15-35%。这一性能改善使业界很快接受了改善后的封装设计。
      随着用于大功率RF晶体管塑料封装技术的创新开发，飞思卡尔进一步降低了封装成本。采用OMP封装解决方案，飞思卡尔可以提供在2.1GHz下具有130W功率的RF晶体管，与金属陶瓷气腔封装产品进行竞争。迄今为止，已有超过3,000万个超模压封装RF功率晶体管交付使用。此外，飞思卡尔提供超过12个不同封装方案以及OMP封装技术中的引脚配置，可实现各种功率RF IC产品。
      这些OMP晶体管完全适用于传统的大功率RF应用。封装、材料和生产工艺的基本设计来自于飞思卡尔为最苛刻的环境条件而设计的大功率汽车和工业用封装技术。这些封装设计可达到超过1,900年的平均故障间隔时间(MTBF)。OMP封装的机械公差很小，相对传统的气腔封装，其公差指标有很大改善(高达50%)。很小的尺寸公差以及优异的湿度灵敏度等级(MSL)额定值使这些封装适合于放大器装配的自动化PCB生产。
      有了气腔外壳，OMP封装可以可靠地工作在器件结温度超过+200℃的情况下。集成的铜散热器提供良好的耐热性和散热性，并且该封装支持无铅引脚(RoHS)互连工艺，在+260℃回流焊工艺中具有3或更高的MSL额定值。考虑到与标准的符合性，OMP封装已注册成为JEDEC标准。
      飞思卡尔在专门配备的热分析实验室评估了不同封装类型的性能。封装晶体管的热性能是完整的无线基站收发信台(BTS)所要求的系统级冷却性能的一个主要因素。封装的散热能力由其热阻决定，热阻即为由消耗功率所产生的两点之间的温度差。
      为获得封装晶体管的热阻，飞思卡尔制订了一套严格的方法，采用红外线(IR)显微镜来测量工作在实际节点阻抗和信号激励下的晶体管裸片的温度。在显微镜下，裸片的温度分布可以被看成是功率大小、偏置、匹配条件、频率，甚至是所选择的调制方式(例如WCDMA或IS-95)的函数。晶体管消耗60W功率的IR图像照片如图11所示。

使用IR显微镜可以定位出测量区域的最大裸片表面温度。在热测量期间，可以确定封装晶体管的底部的温度，并通过热电偶进行监测，或者直接在晶体管的活动单元或产生热的区域进行定位，如图12所示。可通过在晶体管的陶瓷盖上钻孔，或者除去盖子来直接观察裸片表面。对OMP封装，可以刻蚀掉模压封装使裸片的表面暴露出来。

应用工程
飞思卡尔的大功率RF器件支持团队包括富有创造力和经验的应用工程师，他们协助客户对广泛的商用工业、医疗、航空电子、广播以及蜂窝基础设施应用进行电路设计与故障诊断。由于现代RF功率放大器的系统级复杂性很高，这种任务已成为一种必然，并随着通常设计周期时间的急剧减少而增加。飞思卡尔的RF应用团队重点关注这些复杂问题，并帮助客户在应用中使用这些器件，使飞思卡尔的晶体管方便、快速、无缝地集成到客户的设计中。

为缩短客户的设计周期，飞思卡尔的应用团队已经着手开发经过优化的适合GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA和WiMAX等特定大容量应用的RF器件示范电路。这些系统级电路采用小尺寸的普通和商用RF器件，以及典型的组装流程，例如回流焊、表面贴装或器件夹具法，证明了全部RF器件系列的性能。此外还采用了电路级效率和线性增强技术，比如Doherty以及模拟预矫正(APD)方法，以便让客户能更好地理解不同设计方法的优势。
图13为其中一个示范电路。这个电路被用来演示完整的1,800MHz GSM产品系列，包括驱动MW7IC18100N大功率RF的ICMMG3005 GPA。MMG3005是A类偏置InGaP HBTC，在1dB压缩下具有+30dBm额定输出功率。MW7IC18100N是HV7 LDMOS两级RF IC，在1dB压缩下具有100W(+50dBm)的额定输出功率。综合来看，这两个器件创建了高性能的1,800MHz GSM系统，具有近50dB的增益、37%的线路效率，以及+46dBm输出功率下的1.5% EVM性能，如图14和15所示。低成本塑料封装、紧凑的电路版图以及使用最少的RF器件使得这一应用为成本敏感的GSM市场提供了理想的解决方案。

图16是针对TD-SCDMA应用的RF示范电路的典型性能。该电路包括驱动MRF6S21100H分立晶体管的MW6IC2215N RF IC。MW6IC2215N是一款两级HV6 LDMOS RF IC，而MRF6S21100H是一款HV6 LDMOS分立陶瓷晶体管。这些器件在1dB压缩下分别具有15W和100W的额定输出功率。尽管这些器件不是专门用于TD-SCDMA市场，但评估表明它们具有优异的六载波TD-SCDMA性能。在+38dBm输出功率下，线路增益为43dB，未经校正的邻道功率为-51.4dBc，未经校正的相间信道功率为-52.3dBc。

除示范电路、电路设计辅助以及系统故障诊断之外，飞思卡尔的工程应用团队还与建模和测量团队密切合作，以充分展示飞思卡尔RF功率产品的大信号性能。由于具有RF特性、建模、封装以及工程应用的这四个团队，飞思卡尔不仅仅是一个器件供应商，更是一家提供全套工具来帮助客户取得成功的公司。

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