GaN打破壁壘—RF功率放大器的帶寬越來越寬、 功率越來越高

摘要

電信行業(yè)不斷需要更高的數(shù)據(jù)速率，工業(yè)系統(tǒng)不斷需要更高的分辨率，這助推了滿足這些需求的電子設(shè)備工作頻率的不斷上升。許多系統(tǒng)可以在較寬的頻譜中工作，新設(shè)計通常也會有進(jìn)一步增加帶寬的要求。在許多這樣的系統(tǒng)中，人們傾向于使用一個涵蓋所有頻帶的信號鏈。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使高功率寬帶放大器功能突飛猛進(jìn)。GaN革命席卷了整個行業(yè)，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(dǎo)的領(lǐng)域已經(jīng)開始讓步于半導(dǎo)體設(shè)備。更短柵極長度的GaAs和GaN晶體管的出現(xiàn)以及電路設(shè)計技術(shù)的升級，衍生了一些可以輕松操作毫米波頻率的新設(shè)備，開啟了幾十年前難以想象的新應(yīng)用。本文將簡要描述支持這些發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)的狀態(tài)、實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)性能的電路設(shè)計考慮因素，還列舉了展現(xiàn)當(dāng)今技術(shù)的GaAs和GaN寬帶功率放大器(PA)。

許多無線電子系統(tǒng)都可覆蓋很寬的頻率范圍。在軍事工業(yè)中，雷達(dá)頻段可覆蓋從幾百M(fèi)Hz到GHz級頻率。一些電子戰(zhàn)和電子對抗系統(tǒng)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(xiàn)在都面臨著挑戰(zhàn)。隨著越來越多電子設(shè)備支持更高頻率，對更高頻率電子戰(zhàn)系統(tǒng)的需求將會出現(xiàn)井噴。在電信行業(yè)，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(xù)增加。衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(shè)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(rèn)可。因此，系統(tǒng)工程師需要努力嘗試設(shè)計一些能夠覆蓋整個頻率范圍的電子設(shè)備。想到可以使用單個信號鏈覆蓋整個頻率范圍，大多數(shù)系統(tǒng)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(yōu)勢，其中包括簡化設(shè)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(zhàn)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(zhàn)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(dǎo)體技術(shù)

過去幾年，行波管(TWT)放大器一直將更高功率電子設(shè)備作為許多這類系統(tǒng)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(wěn)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(guān)于半導(dǎo)體IC的長期穩(wěn)定性，這些年電子設(shè)備一直向前發(fā)展，首當(dāng)其沖的就是GaAs。在可能的情況下，許多系統(tǒng)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(shù)組合和有效實施的基礎(chǔ)之上。進(jìn)而孕育了許多不同類型的組合技術(shù)，如空間組合、企業(yè)組合等。這些組合技術(shù)全都面臨著相同的命運(yùn)——組合造成了損耗，幸運(yùn)的是，并不一定要使用這些組合技術(shù)。這激勵我們使用高功率電子設(shè)備開始設(shè)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(shù)極具吸引力。如果我們對比不同半導(dǎo)體工藝技術(shù)，就會發(fā)現(xiàn)功率通常會如何隨著高工作電壓IC技術(shù)而提高。硅鍺(SiGe)技術(shù)采用相對較低的工作電壓（2 V至3 V），但其集成優(yōu)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(yīng)用于功率放大器。硅基LDMOS技術(shù)的工作電壓為28 V，已經(jīng)在電信領(lǐng)域使用了許多年，但其主要在4 GHz以下頻率發(fā)揮作用，因此在寬帶應(yīng)用中的使用并不廣泛。新興GaN技術(shù)的工作電壓為28 V至50 V，擁有低損耗、高熱傳導(dǎo)基板（如碳化硅，SiC），開啟了一系列全新的可能應(yīng)用。如今，硅基GaN技術(shù)局限于6 GHz以下工作頻率。硅基板相關(guān)的RF損耗及其相對SiC的較低熱傳導(dǎo)性能則抵消了增益、效率和隨頻率增加的功率優(yōu)勢。圖1對比了不同半導(dǎo)體技術(shù)并顯示了其相互比較情況。

圖1. 微波頻率范圍功率電子設(shè)備的工藝技術(shù)對比。

GaN技術(shù)的出現(xiàn)讓業(yè)界放棄TWT放大器，轉(zhuǎn)而使用GaN放大器作為許多系統(tǒng)的輸出級。這些系統(tǒng)中的驅(qū)動放大器仍然主要使用GaAs，這是因為這種技術(shù)已經(jīng)大量部署并且始終在改進(jìn)。下一步，我們將尋求如何使用電路設(shè)計，從這些寬帶功率放大器中提取較大功率、帶寬和效率。當(dāng)然，相比基于GaAs的設(shè)計，基于GaN的設(shè)計能夠提供更高的輸出功率，并且其設(shè)計考慮因素在很大程度上是相同的。

設(shè)計考慮因素

選擇如何開始設(shè)計以優(yōu)化功率、效率及帶寬時，IC設(shè)計師可以使用不同拓?fù)浼霸O(shè)計考慮因素。最常見的單塊放大器設(shè)計類型就是一種多級、共源、基于晶體管的設(shè)計，也稱作級聯(lián)放大器設(shè)計。這里，增益放大器會從每一級增加，從而實現(xiàn)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(yōu)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?qū)崿F(xiàn)更寬帶寬并提高性能。從GaAs轉(zhuǎn)向GaN設(shè)備的一個不太明顯的優(yōu)勢就是，能夠?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)更高的每級增益。這將帶來更少的設(shè)計級，最終實現(xiàn)更高效率。這些級聯(lián)放大器技術(shù)的挑戰(zhàn)在于，在不顯著降低功率和效率，甚至在不借助GaN技術(shù)的情況下，很難實現(xiàn)倍頻程帶寬。

圖2. 多級GaAs功率放大器和等效GaN功率放大器的比較。

蘭格耦合器

實現(xiàn)寬帶寬設(shè)計的一種方法就是在RF輸入和輸出端使用蘭格耦合器實現(xiàn)均衡設(shè)計，如圖3所示。這里的回波損耗最終取決于耦合器設(shè)計，因為這將更容易優(yōu)化增益和頻率功率響應(yīng)，并且無需優(yōu)化回波損耗。即便是在使用蘭格耦合器的情況下，也更難實現(xiàn)倍頻程帶寬，但卻可以讓設(shè)計實現(xiàn)不錯的回波損耗。

圖3. 采用蘭格耦合器的均衡放大器。

分布式放大器

另一個要考慮的拓?fù)渚褪欠植际焦β史糯笃?，如圖4所示。分布式功率放大器的優(yōu)勢可通過在設(shè)備間的匹配網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用晶體管的寄生效應(yīng)來實現(xiàn)。設(shè)備的輸入和輸出電容可以分別與柵極和漏極線路電感合并，讓傳輸線路變得幾乎透明，傳輸線路損耗除外。這樣，放大器的增益應(yīng)該僅受限于設(shè)備的跨導(dǎo)性，而非設(shè)備相關(guān)的電容寄生性能。僅當(dāng)沿柵極線路向下傳輸?shù)男盘柵c沿漏極線路向下傳輸?shù)男盘柾鄷r，才會發(fā)生這種情況。因此，每個晶體管的輸出電壓將與之前的晶體管輸出同相。向輸出端傳輸?shù)男盘枌e極干擾，因此，信號會隨著漏極線路而增強(qiáng)。任何反向波都會肆意干擾信號，因為這些信號不會同相。其中包含柵極線路端電極，可吸收任何未耦合至晶體管柵極的信號。還包含漏極線路端電極，可吸收任何可能肆意干擾輸出信號并改善低頻率下回波損耗的反向行波。因此，在幾十種帶寬下都可實現(xiàn)從kHz到GHz級的頻率。當(dāng)需要多個倍頻程帶寬時，這種拓?fù)渚蜁兊梅浅Ｊ軞g迎，并且還帶來了幾個不錯的優(yōu)勢，如平穩(wěn)增益、良好的回波損耗、高功率等。圖4顯示了分布式放大器的一個例證。

圖4. 分布式放大器的簡化框圖。

在這里，分布式放大器面臨的一個挑戰(zhàn)就是，功率功能由設(shè)備所使用的電壓決定。由于不存在窄帶調(diào)節(jié)功能，所以您可以實質(zhì)上向晶體管提供50 Ω或接近于50 Ω的電阻。在等式1中，PA的平均功率、RL或最佳負(fù)載電阻實質(zhì)上將變成50 Ω。因此，可實現(xiàn)的輸出功率由施加到放大器的電壓設(shè)定，所以，如果我們想要增加輸出功率，就需要增加施加到放大器的電壓。

這就是GaN的作用所在，我們可以迅速將帶GaAs的5 V電源電壓轉(zhuǎn)變成GaN中的28 V電源電壓，并且只需將GaAs轉(zhuǎn)變成GaN技術(shù)，即可將可實現(xiàn)的功率從0.25 W轉(zhuǎn)變成8 W左右。還要考慮一些其他因素，如GaN中可用工藝的柵極長度，以及它們能否在高頻率帶端實現(xiàn)所需的增益。隨著時間發(fā)展，將會出現(xiàn)更多的GaN工藝。

級聯(lián)放大器需要通過匹配網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化放大器功率，以此改變晶體管電阻值，相比之下，分布式放大器的50 Ω固定RL有所不同。利用級聯(lián)放大器優(yōu)化晶體管電阻值時存在一個優(yōu)勢，就是能提高RF功率。理論上，我們可以繼續(xù)增加晶體管外設(shè)尺寸，從而繼續(xù)提高RF功率，但這存在一些實際限制，如復(fù)雜性、芯片支持和合并損耗。匹配網(wǎng)絡(luò)也會限制帶寬，因為它們很難在廣泛的頻率范圍中提供最佳阻抗。分布式功率放大器中只有傳輸線路，其目的是讓信號積極干擾放大器，并沒有匹配網(wǎng)絡(luò)。還有一些技術(shù)可以進(jìn)一步提高分布式放大器的功率，如使用共射共基放大器拓?fù)鋪磉M(jìn)一步增加放大器的電源電壓。

結(jié)果

關(guān)于提供最佳功率、效率和帶寬的權(quán)衡，我們已經(jīng)說明了各種不同的技巧和半導(dǎo)體技術(shù)。每一種不同拓?fù)浜图夹g(shù)都有可能在半導(dǎo)體市場占據(jù)一席之地，這是因為它們每一個都有優(yōu)勢，這也是它們能夠在當(dāng)前生存的原因所在。這里，我們將關(guān)注幾個值得信賴的結(jié)果，展現(xiàn)這些當(dāng)前技術(shù)在實現(xiàn)高功率、效率和帶寬時的可能性。

當(dāng)前的產(chǎn)品功能

我們將了解ADI公司基于GaAs的分布式功率放大器產(chǎn)品HMC994A，工作頻率范圍為直流至30 GHz。該器件非常有意思，因為它覆蓋了幾十種帶寬、許多不同應(yīng)用，并且可實現(xiàn)高功率和效率。其性能如圖5所示。在這里，我們看到它是覆蓋MHz至30 GHz、功率附加效率(PAE)典型值為25%的飽和輸出功率大于1瓦的器件。這款產(chǎn)品還擁有標(biāo)準(zhǔn)值為38 dBm的強(qiáng)大的三階交調(diào)截點(diǎn)(TOI)性能。結(jié)果顯示，利用基于GaAs的設(shè)計，我們能夠?qū)崿F(xiàn)接近于許多窄帶功率放大器設(shè)計的效率。HMC994A擁有正向頻率增益斜率、高PAE寬帶功率性能和強(qiáng)大的回波損耗，是一款非常有趣的產(chǎn)品。

圖5. HMC994A增益、功率以及PAE和頻率的關(guān)系。

我們再來了解一下基于GaN技術(shù)可以做些什么。ADI公司推出了一款標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品HMC8205BF10，它基于GaN技術(shù)，具有高功率、高效率 和寬帶寬。該產(chǎn)品的工作電源電壓為50 V，在35%的典型頻率下可提供35 W RF功率，帶20 dB左右的功率增益，覆蓋幾十種帶寬。這種情況下，相比類似的GaAs方案，我們只需要一個IC就能提供高出約10倍的功率。在過去數(shù)年，這可能需要復(fù)雜的GaAs芯片組合方案，并且無法實現(xiàn)相同的效率。該產(chǎn)品展示了使用GaN技術(shù)的各種可能性，包括覆蓋寬帶寬，提供高功率和高效率，如圖6所示。這還展現(xiàn)了高功率電子設(shè)備封裝技術(shù)的發(fā)展歷程，因為這個采用法蘭封裝的器件能夠支持許多軍事應(yīng)用所需的連續(xù)波(CW)信號。

圖6. HMC8205BF10功率增益、PSAT以及PAE和頻率的關(guān)系。

結(jié)語

GaN等全新半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)開啟了實現(xiàn)覆蓋寬帶寬的更高功率水平的可能性。較短的柵極長度GaAs設(shè)備的頻率范圍已經(jīng)從20 GHz擴(kuò)展到了40 GHz及以上。這些器件的可靠性幾乎已經(jīng)超過了100萬小時，普遍應(yīng)用于當(dāng)今的電子設(shè)備系統(tǒng)中。未來，我們預(yù)計會持續(xù)向更高頻率和更寬帶寬發(fā)展。

作者

Keith Benson

Keith Benson于2002年畢業(yè)于馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，2004年畢業(yè)于加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校，獲電氣工程碩士學(xué)位。他之前就職于Hittite Microwave，主攻RF無線電子的IC設(shè)計。然后轉(zhuǎn)向IC設(shè)計工程師團(tuán)隊管理，主要負(fù)責(zé)無線通信鏈路。2014年，ADI公司收購了Hittite Microwave，Keith成為ADI公司RF/MW放大器和相控陣IC的產(chǎn)品線總監(jiān)。Keith目前擁有3項新穎放大器技術(shù)方面的美國專利。

審核編輯 黃昊宇