GaN打破壁壘—RF功率放大器的帶寬越來(lái)越寬、 功率越來(lái)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(jì)通常也會(huì)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(gè)涵蓋所有頻帶的信號(hào)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(gè)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(gè)過(guò)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?hào)艠O長(zhǎng)度的GaAs和GaN晶體管的出現(xiàn)以及電路設(shè)計(jì)技術(shù)的升級(jí)，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(jiǎn)要描述支持這些發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)的狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)性能的電路設(shè)計(jì)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(wú)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(jí)頻率。一些電子戰(zhàn)和電子對(duì)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(lái)越多電子設(shè)備支持更高頻率，對(duì)更高頻率電子戰(zhàn)系統(tǒng)的需求將會(huì)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(zhǎng)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(cè)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(guó)際認(rèn)可。因此，系統(tǒng)工程師需要努力嘗試設(shè)計(jì)一些能夠覆蓋整個(gè)頻率范圍的電子設(shè)備。想到可以使用單個(gè)信號(hào)鏈覆蓋整個(gè)頻率范圍，大多數(shù)系統(tǒng)工程師和采購(gòu)人員都會(huì)非常興奮。用單個(gè)信號(hào)鏈覆蓋整個(gè)頻率范圍將會(huì)帶來(lái)許多優(yōu)勢(shì)，其中包括簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、加速上市時(shí)間、減少要管理的器件庫(kù)存等。單信號(hào)鏈方案的挑戰(zhàn)始終繞不開寬帶解決方案相對(duì)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(duì)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(guò)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(jí)。TWT擁有一些不錯(cuò)的特性，包括千瓦級(jí)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)GaAs IC，生成大輸出功率。整個(gè)公司都完全建立在技術(shù)組合和有效實(shí)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(lì)我們使用高功率電子設(shè)備開始設(shè)計(jì)。提高功率放大器RF功率的最簡(jiǎn)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(duì)比不同半導(dǎo)體工藝技術(shù)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)功率通常會(huì)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(duì)較低的工作電壓（2 V至3 V），但其集成優(yōu)勢(shì)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(lái)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(duì)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(shì)。圖1對(duì)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(duì)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(jí)。這些系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)放大器仍然主要使用GaAs，這是因?yàn)檫@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(jì)，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(jì)，基于GaN的設(shè)計(jì)能夠提供更高的輸出功率，并且其設(shè)計(jì)考慮因素在很大程度上是相同的。

設(shè)計(jì)考慮因素

選擇如何開始設(shè)計(jì)以優(yōu)化功率、效率及帶寬時(shí)，IC設(shè)計(jì)師可以使用不同拓?fù)浼霸O(shè)計(jì)考慮因素。最常見的單塊放大器設(shè)計(jì)類型就是一種多級(jí)、共源、基于晶體管的設(shè)計(jì)，也稱作級(jí)聯(lián)放大器設(shè)計(jì)。這里，增益放大器會(huì)從每一級(jí)增加，從而實(shí)現(xiàn)高增益，并允許我們?cè)黾虞敵鼍w管大小，以增加RF功率。GaN在這里提供了一些優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槲覀兡軌虼蠓?jiǎn)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(gè)不太明顯的優(yōu)勢(shì)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(huì)更小，從而實(shí)現(xiàn)更高的每級(jí)增益。這將帶來(lái)更少的設(shè)計(jì)級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)更高效率。這些級(jí)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(shí)現(xiàn)倍頻程帶寬。

圖2. 多級(jí)GaAs功率放大器和等效GaN功率放大器的比較。

蘭格耦合器

實(shí)現(xiàn)寬帶寬設(shè)計(jì)的一種方法就是在RF輸入和輸出端使用蘭格耦合器實(shí)現(xiàn)均衡設(shè)計(jì)，如圖3所示。這里的回波損耗最終取決于耦合器設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@將更容易優(yōu)化增益和頻率功率響應(yīng)，并且無(wú)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(shí)現(xiàn)倍頻程帶寬，但卻可以讓設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)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(gè)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(shì)可通過(guò)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(lái)實(shí)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?hào)與沿漏極線路向下傳輸?shù)男盘?hào)同相時(shí)，才會(huì)發(fā)生這種情況。因此，每個(gè)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?hào)將會(huì)積極干擾，因此，信號(hào)會(huì)隨著漏極線路而增強(qiáng)。任何反向波都會(huì)肆意干擾信號(hào)，因?yàn)檫@些信號(hào)不會(huì)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(hào)。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(hào)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(shí)現(xiàn)從kHz到GHz級(jí)的頻率。當(dāng)需要多個(gè)倍頻程帶寬時(shí)，這種拓?fù)渚蜁?huì)變得非常受歡迎，并且還帶來(lái)了幾個(gè)不錯(cuò)的優(yōu)勢(shì)，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(gè)例證。

圖4. 分布式放大器的簡(jiǎn)化框圖。

在這里，分布式放大器面臨的一個(gè)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(shí)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(shí)質(zhì)上將變成50 Ω。因此，可實(shí)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(shí)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(zhǎng)度，以及它們能否在高頻率帶端實(shí)現(xiàn)所需的增益。隨著時(shí)間發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)更多的GaN工藝。

級(jí)聯(lián)放大器需要通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(jí)聯(lián)放大器優(yōu)化晶體管電阻值時(shí)存在一個(gè)優(yōu)勢(shì)，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(shí)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(huì)限制帶寬，因?yàn)樗鼈兒茈y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(hào)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?lái)進(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(shuō)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(chǎng)占據(jù)一席之地，這是因?yàn)樗鼈兠恳粋€(gè)都有優(yōu)勢(shì)，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(gè)值得信賴的結(jié)果，展現(xiàn)這些當(dāng)前技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高功率、效率和帶寬時(shí)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?yàn)樗采w了幾十種帶寬、許多不同應(yīng)用，并且可實(shí)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(jì)，我們能夠?qū)崿F(xiàn)接近于許多窄帶功率放大器設(shè)計(jì)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?cè)賮?lái)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(gè)IC就能提供高出約10倍的功率。在過(guò)去數(shù)年，這可能需要復(fù)雜的GaAs芯片組合方案，并且無(wú)法實(shí)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?yàn)檫@個(gè)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(hào)。

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

結(jié)語(yǔ)

GaN等全新半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)開啟了實(shí)現(xiàn)覆蓋寬帶寬的更高功率水平的可能性。較短的柵極長(zhǎng)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(guò)了100萬(wàn)小時(shí)，普遍應(yīng)用于當(dāng)今的電子設(shè)備系統(tǒng)中。未來(lái)，我們預(yù)計(jì)會(huì)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(wú)線電子的IC設(shè)計(jì)。然后轉(zhuǎn)向IC設(shè)計(jì)工程師團(tuán)隊(duì)管理，主要負(fù)責(zé)無(wú)線通信鏈路。2014年，ADI公司收購(gòu)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(xiàng)新穎放大器技術(shù)方面的美國(guó)專利。

審核編輯 黃昊宇