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使用GaN進行系統(tǒng)和器件設(shè)計

發(fā)布時間:2022-04-02 來源:Qorvo 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在本章,我們將介紹設(shè)計氮化鎵 (GaN) 功率放大器 (PA) 以及其他 GaN 應(yīng)用的一些技術(shù),并描述 GaN 在許多射頻 (RF) 前端中的應(yīng)用。我們還將探討技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者如何在分立式、單芯片微波集成電路 (MMIC) 以及高度集成模塊中使用 GaN 技術(shù),以滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域需求。我們還將說明 GaN 熱建模在應(yīng)用中的一些重要方面和優(yōu)勢。


使用 GaN 技術(shù)進行設(shè)計


過去,GaN PA 設(shè)計一直依靠大致的起點、豐富的經(jīng)驗和專業(yè)知識來完成。使用 S 參數(shù)和負載牽引數(shù)據(jù)可以提高設(shè)計的成功率。有了 GaN 分立式產(chǎn)品,使用精確的非線性模型也有助于更快地生成設(shè)計數(shù)據(jù)。對于分立式實現(xiàn)來說,建模有助于獲得更精確的半導(dǎo)體行為數(shù)據(jù),并獲得針對特定應(yīng)用的更好結(jié)果。


對于工程師來說,設(shè)計 GaN PA 的第一步就是獲得半導(dǎo)體制造商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊 ;第二部就是查看 S 參數(shù)。PA 設(shè)計工程師還可以利用測得的負載牽引數(shù)據(jù)確定最佳負載阻抗目標值,以便在指定頻率下實現(xiàn)精確的功率和效率值。


有條件時,設(shè)計人員可使用負載牽引數(shù)據(jù)和仿真模型獲得更好的結(jié)果。圖 3-1 顯示了如何針對 GaN PA 設(shè)計創(chuàng)建仿真模型。這些相同的模型用于生成 PA 參考設(shè)計。


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圖 3-1 :Qorvo/Modelithics 非線性仿真模型流程示例


這些分立式非線性 GaN 模型都具有可變偏置、溫標、自熱效應(yīng)、固有電流 - 電壓 (I-V) 感應(yīng)和焊線設(shè)置等功能(若適用)。在最基本的層面上,非線性 GaN 晶體管模型必須捕獲晶體管在不同工作電平下的電流 - 電壓特性曲線(I-V 曲線)。I-V 曲線決定了器件的基本功耗、效率和其他主要性能驅(qū)動因素。


一個模型預(yù)測 PA 晶體管非線性行為的能力主要基于幾個方面 :


? 電壓依賴性電流源 (Ids) 的表示

? 電壓依賴性電容,主要是柵極 - 源極 (Cgs)、漏極 - 源極 (Cds) 和 漏極 - 柵極 (Cdg)

? 電壓依賴性二極管模型,與擊穿電壓的預(yù)測相關(guān)

? 器件寄生電感、電容和電阻,代表器件的總體頻率依賴性行為


作為一種相對較新的技術(shù),與其他半導(dǎo)體相比,GaN 需要使用一些不同的建模和設(shè)計技術(shù)。GaN 具有更高的最大電流能力,可在更高的靜態(tài)電壓和更高的電壓下運行,從而能夠有效地擴展 I-V 曲線的邊界值。


在任何情況下,都必須向工程師提供相關(guān)數(shù)據(jù),以便于其優(yōu)化設(shè)計,使其設(shè)計能夠在目標應(yīng)用電壓、電流和負載條件下運行。這些數(shù)據(jù)可加快設(shè)計流程,幫助工程師在第一次就能夠進行正確的布局,而不用擔(dān)心是否需要昂貴的項目變更。


GaN 和射頻前端


早期,GaN 被用作放大射頻前端 (RFFE) 發(fā)射信號的 PA,主要裸片形式提供或用作法蘭晶體管。但將 GaN 用于其他 RFFE 組件也會帶來明顯的好處。如今,GaN 還作為單獨的分立元件或 MMIC 用于低噪聲放大器 (LNA)、混頻器和開關(guān)。本節(jié)將回顧 GaN 用于這些 RFFE 組件所帶來的好處。


GaN PA


GaN 是實現(xiàn)大多數(shù)高功率應(yīng)用所需功率水平和效率的首選。它可在非常小的外設(shè)中實現(xiàn)出色的耐久性和較高的飽和功率。此外,它還提供許多無線基站、商業(yè)和軍事雷達應(yīng)用等所需的高效率。


GaN 開關(guān)


GaN 開關(guān)適用于許多射頻開關(guān)應(yīng)用。它們具有高擊穿電壓、低導(dǎo)通電阻和低斷開狀態(tài)電容。這顯著提高了其電源處理能力。


砷化鎵 (GaAs) 場效應(yīng)晶體管 (FET) 開關(guān)廣泛應(yīng)用于射頻行業(yè),通常用于功率水平為幾瓦或更少的應(yīng)用。GaN FET 可以使用相同的電路架構(gòu)來處理更高的功率水平(幾十瓦)。GaN 開關(guān)可實現(xiàn)較低的開關(guān)損耗、較高隔離度、較高線性度和出色的功率處理能力。隨著對更高電流、電壓能力、功率密度、溫度、效率和頻率范圍系統(tǒng)的需求,硅基開關(guān)即將接近其極限。因此,在需要這些獨特功能的應(yīng)用中,GaN 開關(guān)開始取代硅開關(guān)。


GaN LNAs


GaN LNA 的功耗通常比 LNA 替代技術(shù)更低。選擇將 GaN 用于 LNA 可降低噪聲系數(shù),并提高 LNA 所需的輸入功率穩(wěn)定性。


通常情況下,GaN 器件可耐受 2-4 瓦的輸入功率水平。在許多應(yīng)用中,高輸入功率性能尤為重要。例如 :在許多雷達應(yīng)用中,在輸入端增加一個限幅器或循環(huán)器可以降低高輸入功率對接收器可能產(chǎn)生的影響。這確實有助于保護接收器,但會增加 LNA 處的噪聲。這種限幅器或循環(huán)器方法也會降低接收器的靈敏度,從而對信號覆蓋范圍、吞吐量和性能產(chǎn)生不利影響。相比之下,GaN LNA 的極高輸入功率性能意味著不需要使用限幅器或循環(huán)器,從而有助于提高接收器的整體性能。 


GaN 混頻器


基于 GaN 的混頻器具有高線性度,且與基于 GaAs 的混頻器相比,可以處理更多的輸入功率。通常情況下,這些基于 GaN 的高端混頻器用于國防、衛(wèi)星通信和儀表應(yīng)用。GaN 的可用性為設(shè)計工程師在設(shè)計 RFEE 時提供了另一種可用技術(shù)。利用 這項附加技術(shù)可帶來更多機會。


GaN 系統(tǒng)可靠性評估


眾所周知,GaN 比其他技術(shù)更可靠,主要歸因于其獨特性能,如可靠的高功率功能和散熱穩(wěn)定性。即便如此,對于設(shè)計人員來說,還必須圍繞該技術(shù)創(chuàng)建一個功能強大的解決方案,以獲得最佳系統(tǒng)可靠性。


與所有功率晶體管技術(shù)一樣,謹慎的熱設(shè)計是確??煽窟\行的關(guān)鍵。支持高電壓和高效率的關(guān)鍵在于將熱量從器件中排出,從而將結(jié)溫保持在可接受范圍,以實現(xiàn)可靠運行。這可以通過精確的熱測量和選擇具有最佳熱性能的基板材料來實現(xiàn),該基板材料可以立即將設(shè)備的熱量排到散熱器上。


銅塊技術(shù)是散熱器的替代散熱解決方案。利用該方法,可在制造過程中將銅塊嵌入到 PC 電路板 (PCB) 中,以實現(xiàn)從晶體管到安裝了 PCB 的載體的高效熱傳遞。與更昂貴的散熱器或風(fēng)扇相比,這種經(jīng)濟高效的方法可實現(xiàn)更好的熱傳遞。


盡管銅塊冷卻方法可以實現(xiàn)實質(zhì)性的器件問題改進,但對射頻性能的影響比較小。此外,必須高度注意,以確保 PCB 表面保持平坦,并在銅塊和器件封裝的接地焊盤之間形成良好接觸。


GaN 與 TWTA 之比較


GaN 工藝使用商用材料和可實現(xiàn)最佳可靠性、低成本和高性能的制造平臺,如表 3-1 中所示。因此,與傳統(tǒng)的行波管放大器 (TWTA) 技術(shù)相比,碳化硅 (SiC) 基 GaN 和硅 (Si) 基 GaN 可向工程師提供成本更低且具有競爭力的可靠解決方案。


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例如,實踐證明,在要求使用千兆赫工作頻率范圍的商業(yè)和軍事雷達應(yīng)用中,GaN 是理想解決方案,特別是在發(fā)射階段。它已經(jīng)在許多應(yīng)用中取代了 TWTA。如今,使用有源電子掃描陣列 (AESA) 和相控陣模塊的軍事雷達可受益于 GaN,特別是因為它們可以使用 MMIC 技術(shù),從而簡化和縮小設(shè)計。


匹配 GaN 散熱性能與應(yīng)用


提高功率意味著增加熱管理挑戰(zhàn)。高工作溫度會導(dǎo)致器件性能下降,服務(wù)壽命縮短。因此,設(shè)計工程師會始終評估熱因素的影響,以消除器件和系統(tǒng)層面的潛在問題。


許多需要在高溫和極端環(huán)境下運行的應(yīng)用都在考慮使用 GaN,因為它具有出色的散熱性能。GaN 極高的運行通道溫度 (225℃ ) 使系統(tǒng)設(shè)計人員可以不用從散熱角度進行設(shè)計。例如,當(dāng)使用橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體 (LDMOS) 或 GaAs 實現(xiàn)時,一些需要液體冷卻的應(yīng)用可以在使用 GaN 時轉(zhuǎn)而采用空氣冷卻。


盡管 GaN 的散熱性能優(yōu)于許多半導(dǎo)體技術(shù),但工程師仍必須充分了解散熱設(shè)計和分析,以便構(gòu)建穩(wěn)定可靠的最終產(chǎn)品。在進入產(chǎn)品設(shè)計展示之前,完全了解 GaN 的散熱性能至關(guān)重要。


估算 TCH,MAX


GaN 等半導(dǎo)體的可靠性是通過估算器件的最高信道溫 (TCH, MAX),進而估算器件的生命周期來確定的。這些數(shù)值是通過測量熱阻、器件功耗和熱傳遞,并據(jù)此建模來獲取的。對于半導(dǎo)體器件,主要使用紅外 (IR) 成像顯微鏡進行測量。這些紅外范圍有助于識別最終可能導(dǎo)致半導(dǎo)體上出現(xiàn)故障區(qū)域的設(shè)備熱點。


因為與大多數(shù)半導(dǎo)體材料相比,GaN 技術(shù)可以在更高溫度條件下運行,所以更準確地測量信道溫度至關(guān)重要。因此,一些 GaN 設(shè)計人員和半導(dǎo)體制造商選擇執(zhí)行紅外掃描之外的額外測量。


為什么?空間分辨率限制、反射面成像困難和芯片表面結(jié)構(gòu)(如空氣橋)限制了紅外成像在測量 GaN 信道溫度方面的準確度。此外,即使獲得了準確的紅外圖像值,但最高信道溫度實際上是器件柵級下方某個位置的值,如右圖 3-2 所示。


為了獲得更準確的信道溫度測量值,一種方法是使用熱模型分析方法(也稱為有限元分析 (FEA))。使用三維模型或 FEA 結(jié)合顯微拉曼熱成像技術(shù),并將這些結(jié)果與射頻測試和紅外成像進行比較,從而獲得準確的熱值。使用這種組合數(shù)據(jù)集,可以確定封裝器件的 FEA 模型,從而提供準確的 TCH, MAX. 此外,如左圖 3-2 所示,與紅外圖像光斑尺寸測量不同的是,微型拉曼光斑尺寸支持在柵極下的不同位置更精確地測量溫度。這可實現(xiàn)更精確的峰值信道溫度測量。


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圖 3-2 :使用顯微拉曼熱成像技術(shù)測量 TCH、MAX。


顯微拉曼熱成像技術(shù)是一種基于拉曼散射光譜的非侵入式光學(xué)技術(shù),可實現(xiàn)亞微米空間內(nèi)的溫度測量,時間分辨率可達納秒級別。它探測材料中由溫度引起的、聲子相對于基準聲子頻率的偏移(聲子頻率在環(huán)境溫度下測定)。


為計算器件的預(yù)期使用壽命,確定器件的真正 TCH, MAX 是一個多步驟過程。首先,通過構(gòu)建三維熱模型或進行有限元分析 (FEA),并與采用顯微拉曼熱成像等技術(shù)得到的實證測量結(jié)果進行比較,確定信道溫度。然后通過射頻測試和紅外成像進行驗證,并使用組合數(shù)據(jù)獲取 GaN 信道溫度和器件可靠性的準確測量值。


FEA 是測量 GaN 的真正信道溫度和器件可靠性的組合方法。這是一種三管齊下的方法,通過器件背面溫度、裸片或產(chǎn)品貼裝的測量值以及紅外成 來創(chuàng)建 FEA 模型,從而準確估算 GaN 器件的使用壽命。


查看如何實現(xiàn)


想要查看該方法的詳細說明?請觀看視頻教程“了解 GaN 熱分析”,網(wǎng)址:www.qorvo.com/design-hub/videos/understandinggan-thermal-analysis。


連續(xù)波與脈沖工作


另一個需要考慮的重要設(shè)計和可靠性因素就是 GaN 器件在系統(tǒng)中的運行方式。器件是始終開啟(連續(xù)波 [CW] 工作)還是通過脈沖開啟和關(guān)閉(脈沖波工作)。每一種工作方法都會影響 TCH, MAX 值,這取決于具體的工作條件,并隨著所選脈沖寬度和占空比的變化而變化。例如:在 CW 工作期間,系統(tǒng)達到熱穩(wěn)定狀態(tài)運行后,TCH, MAX 達到最高點。


GaN 封裝形式評估


GaN 可以采用裸片形式,也可以采用一些封裝形式 :預(yù)匹配晶體管、內(nèi)部匹配場效應(yīng)晶體管 (IMFET)、功率放大器模塊 (PAM) 或 MMIC。每種形式都有其優(yōu)點和利弊權(quán)衡,如圖 3-3 中所示。每一種形式都可以為特定應(yīng)用提供一流的熱、尺寸和參數(shù)性能。


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圖 3-3 :GaN 形式類型比較


以下是如何使用這些 GaN 形式類型的快速說明 :

 

? 未匹配或預(yù)匹配晶體管 :這些器件適用于工程師需要設(shè)計靈活性的應(yīng)用,例如 :能夠優(yōu)化系統(tǒng)以滿足特定頻率范圍或帶寬要求。這些器件還允許工程師使用 Doherty PA 設(shè)計來創(chuàng)建解決方案,如 5G 遠程無線電頭端或高級陣列系統(tǒng)設(shè)計。


? IMFET :這些是適用于大功率解決方案的分立式晶體管或電源棒。這些內(nèi)部匹配的 GaN FET 常用于雷達和無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中。


? PAM :PAM 旨在支持大功率應(yīng)用,如商用 5G 多輸入多輸出 (MIMO) 和國防雷達。它們是內(nèi)部匹配 50 歐姆輸入和輸出的兩級或多級放大器。它們是專門為減小系統(tǒng)的尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 而設(shè)計的,同時可簡化設(shè)計,并縮短上市時間。


? MMIC 和前端模塊 (FEM) :這些可以將多個功能集成到一個小型封裝內(nèi)的同一裸片上。MMIC 通常用于高頻率操作應(yīng)用,其中功率附加效率 (PAE) 和低射頻損耗是重要的系統(tǒng)目標。FEM 為系統(tǒng)級封裝 (SIP) 解決方案,有助于設(shè)計人員利用 GaN 的高功率密度、熱導(dǎo)率和小尺寸。


探索 GaN 系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)


像 GaAs 這樣的成熟技術(shù)可以支持大帶寬和高頻頻段,但它們的功率密度比 GaN 低。因此,對于可接受每個元件更低的傳輸功率,且接收鏈噪聲數(shù)字比較關(guān)鍵的應(yīng)用,GaAs 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 仍是發(fā)射和接收組件的可行解決方案。


GaAs 柵極長度繼續(xù)減少,有助于降低噪聲系數(shù),從而可以擴大射頻范圍,提高靈敏度。在所有其他因素保持不變的情況下,GaAs 上較短的柵極長度有助于提高性能,但這是以犧牲靜電放電 (ESD) 靈敏度和輸入電源生存性為代價的。然而,與 GaAs 相比,GaN on SiC 具有帶寬寬、功率密度更高以及輸入功率更高的優(yōu)點,有助于提高生存性,降低噪聲系數(shù)。此外,GaN 的高輸入阻抗允許在系統(tǒng)上輕松實現(xiàn)射頻匹配。


使用功率密度更高的 GaN 晶體管可簡化設(shè)計,并減少系統(tǒng)中的匹配組件。這也意味著,與 GaAs 和 LDMOS 相比,使用的系統(tǒng)組件更少,從而可以降低射頻鏈損耗。GaN 具有更高的發(fā)射功率和較低的接收噪聲系數(shù),可以實現(xiàn)更長的射頻范圍和更高的信號分辨率。


在雷達應(yīng)用中,這意味著系統(tǒng)可以看到更遠處的較小目標,從而有更多的時間對目標的移動作出反應(yīng)。傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)要求短脈沖寬度、窄瞬時帶寬和較小的占空比。而如今,所有雷達頻段都有一個驅(qū)動,可以將占空比增加三到五倍,達到 50% 或更高占空比,在某些情況下接近連續(xù)波操作。


雷達 AESA 系統(tǒng)可能會使用數(shù)百到數(shù)萬個放大器。使用 GaN 可提高每個陣列元件的功率,從而擴大范圍?;蛘撸c GaAs 和 LDMOS 等其他技術(shù)相比,每個元件可以使用更少的 GaN 器件來實現(xiàn)所需的輸出功率,從而降低成本和復(fù)雜性。


GaN PA 在飽和狀態(tài)下具有最高效率。對于線性度,則相反 :當(dāng)輸出功率較低或為回退模式時,工作的線性度最高。在 5G 系統(tǒng)中,線性度是一個關(guān)鍵參數(shù)。所以,為使高功率 5G 高級天線系統(tǒng) (AAS) 的線性度最大化,可使用一種稱為數(shù)字預(yù)失真 (DPD) 技術(shù)(見圖 3-4)。


5G 基站的 PA 通常進行了效率優(yōu)化,同時需要實現(xiàn) 50% 至 70% 的 PAE。然后可使用 DPD 來補償線性度。由于信號輸出功率和相關(guān)能耗較高,所以效率至關(guān)重要。附加好處在于,這些系統(tǒng)運行的溫度更低,這一點很重要,因為它們安裝在基站天線的頂部,而不是在結(jié)構(gòu)底部的空調(diào)建筑內(nèi)。


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圖 3-4 :DPD 和 Doherty PA 配置。


DPD 是一種利用數(shù)字信號處理技術(shù)消除失真的硬件和軟件解決方案。它使設(shè)計者能夠優(yōu)化 PA 以降低功耗,同時最大限度地提高輸出功率,實現(xiàn)高線性度。


了解 GaN Doherty PA 和數(shù)字預(yù)失真


通過利用一些創(chuàng)新型射頻系統(tǒng),如 5G 基站,我們可以提高 PA 輸出水平、效率和線性度。為了一次性有效地獲得這三個參數(shù),使用 DPD 是有益的。DPD 還可以最小化帶外 PA 失真。


許多 GaN PA 使用 Doherty 配置來提高回退輸出功率條件下的器件效率。通過使用 Doherty 配置,工程師可以最小化系統(tǒng)功耗,并獲得 60% 或更高效率(在回退輸出功率下),同時顯著降低運行耗電量大的 PA 系統(tǒng)所需的能量。使用 Doherty 時,DPD 至關(guān)重要。如圖 3-4 中所示,使用 DPD 和 Doherty 配置可實現(xiàn)更高效率和線性度。


高壓 GaN 檢查


對于有些應(yīng)用來說,獲得最高輸出功率至關(guān)重要。如前所述,PA 在接近飽和或峰值輸出功率時效率最高。增加 GaN 晶體管的漏極電壓可提高飽和條件下的功率輸出。然而,該技術(shù)可能適用于某些應(yīng)用,但并不適用于其他應(yīng)用。


雷達就是高壓 GaN 開拓新時代中的一個應(yīng)用。雷達系統(tǒng)通常需要實現(xiàn)幾百到幾千瓦的功率放大。它們通過組合多個固態(tài)功率晶體管或使用 TWTA 來實現(xiàn)千瓦級放大。


通過使用更高的工作電壓,GaN 技術(shù)可以用比其他技術(shù)更少的晶體管來實現(xiàn)這些輸出功率水平。例如,在 65 V 工作電壓下,GaN 可以在保持較低散熱要求的情況下實現(xiàn)千瓦放大。此外,與其他技術(shù)相比,它外形更小巧,并且可以使用更少的晶體管更可靠地實現(xiàn)敵我識別和距離測量的軍事目標參數(shù)。


作為附加好處,高電壓 GaN 可降低設(shè)計復(fù)雜性,因為它需要更少的晶體管來實現(xiàn)高功率水平。這些高電壓、高功率晶體管的效率也很高,在某些情況下可實現(xiàn) 70% 至 80% 的效率。


下面是高電壓 GaN 的一些關(guān)鍵優(yōu)勢 : 


? 高功率密度 :它可減少晶體管數(shù)量,以及整體組件大小和重量。

? 更低功耗 :它可以減少系統(tǒng)級電流損耗和對電源的需求。

? 更簡單的匹配能力 :可在保持可用輸出阻抗的同時,提高輸出功率。


如今,GaN 被設(shè)計為 28-32、48-50 或 65 V 漏極偏置(見圖 2-2),但我們正在為新市場和現(xiàn)有市場探索更高的電壓范圍,以便在系統(tǒng)中實現(xiàn)進一步的性能提升。



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