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          使用GaN進行系統和器件設計

          發布時間:2022-04-02 來源:Qorvo 責任編輯:wenwei

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


          使用 GaN 技術進行設計


          過去,GaN PA 設計一直依靠大致的起點、豐富的經驗和專業知識來完成。使用 S 參數和負載牽引數據可以提高設計的成功率。有了 GaN 分立式產品,使用精確的非線性模型也有助于更快地生成設計數據。對于分立式實現來說,建模有助于獲得更精確的半導體行為數據,并獲得針對特定應用的更好結果。


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


          有條件時,設計人員可使用負載牽引數據和仿真模型獲得更好的結果。圖 3-1 顯示了如何針對 GaN PA 設計創建仿真模型。這些相同的模型用于生成 PA 參考設計。


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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、固有電流 - 電壓 (I-V) 感應和焊線設置等功能(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動因素。


          一個模型預測 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,與擊穿電壓的預測相關

          ? 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,與其他半導體相比,GaN 需要使用一些不同的建模和設計技術。GaN 具有更高的最大電流能力,可在更高的靜態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數據,以便于其優化設計,使其設計能夠在目標應用電壓、電流和負載條件下運行。這些數據可加快設計流程,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。本節將回顧 GaN 用于這些 RFFE 組件所帶來的好處。


          GaN PA


          GaN 是實現大多數高功率應用所需功率水平和效率的首選。它可在非常小的外設中實現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、商業和軍事雷達應用等所需的高效率。


          GaN 開關


          GaN 開關適用于許多射頻開關應用。它們具有高擊穿電壓、低導通電阻和低斷開狀態電容。這顯著提高了其電源處理能力。


          砷化鎵 (GaAs) 場效應晶體管 (FET) 開關廣泛應用于射頻行業,通常用于功率水平為幾瓦或更少的應用。GaN FET 可以使用相同的電路架構來處理更高的功率水平(幾十瓦)。GaN 開關可實現較低的開關損耗、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的需求,硅基開關即將接近其極限。因此,在需要這些獨特功能的應用中,GaN 開關開始取代硅開關。


          GaN LNAs


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


          通常情況下,GaN 器件可耐受 2-4 瓦的輸入功率水平。在許多應用中,高輸入功率性能尤為重要。例如 :在許多雷達應用中,在輸入端增加一個限幅器或循環器可以降低高輸入功率對接收器可能產生的影響。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、衛星通信和儀表應用。GaN 的可用性為設計工程師在設計 RFEE 時提供了另一種可用技術。利用 這項附加技術可帶來更多機會。


          GaN 系統可靠性評估


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


          與所有功率晶體管技術一樣,謹慎的熱設計是確??煽窟\行的關鍵。支持高電壓和高效率的關鍵在于將熱量從器件中排出,從而將結溫保持在可接受范圍,以實現可靠運行。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,該基板材料可以立即將設備的熱量排到散熱器上。


          銅塊技術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扇相比,這種經濟高效的方法可實現更好的熱傳遞。


          盡管銅塊冷卻方法可以實現實質性的器件問題改進,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,與傳統的行波管放大器 (TWTA) 技術相比,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和軍事雷達應用中,GaN 是理想解決方案,特別是在發射階段。它已經在許多應用中取代了 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,從而簡化和縮小設計。


          匹配 GaN 散熱性能與應用


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


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


          盡管 GaN 的散熱性能優于許多半導體技術,但工程師仍必須充分了解散熱設計和分析,以便構建穩定可靠的最終產品。在進入產品設計展示之前,完全了解 GaN 的散熱性能至關重要。


          估算 TCH,MAX


          GaN 等半導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。這些數值是通過測量熱阻、器件功耗和熱傳遞,并據此建模來獲取的。對于半導體器件,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致半導體上出現故障區域的設備熱點。


          因為與大多數半導體材料相比,GaN 技術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重要。因此,一些 GaN 設計人員和半導體制造商選擇執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構(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 結合顯微拉曼熱成像技術,并將這些結果與射頻測試和紅外成像進行比較,從而獲得準確的熱值。使用這種組合數據集,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測量 TCH、MAX。


          顯微拉曼熱成像技術是一種基于拉曼散射光譜的非侵入式光學技術,可實現亞微米空間內的溫度測量,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(聲子頻率在環境溫度下測定)。


          為計算器件的預期使用壽命,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得到的實證測量結果進行比較,確定信道溫度。然后通過射頻測試和紅外成像進行驗證,并使用組合數據獲取 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、裸片或產品貼裝的測量值以及紅外成 來創建 FEA 模型,從而準確估算 GaN 器件的使用壽命。


          查看如何實現


          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”,網址:www.qorvo.com/design-hub/videos/understandinggan-thermal-analysis。


          連續波與脈沖工作


          另一個需要考慮的重要設計和可靠性因素就是 GaN 器件在系統中的運行方式。器件是始終開啟(連續波 [CW] 工作)還是通過脈沖開啟和關閉(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,系統達到熱穩定狀態運行后,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 :預匹配晶體管、內部匹配場效應晶體管 (IMFET)、功率放大器模塊 (PAM) 或 MMIC。每種形式都有其優點和利弊權衡,如圖 3-3 中所示。每一種形式都可以為特定應用提供一流的熱、尺寸和參數性能。


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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 :

           

          ? 未匹配或預匹配晶體管 :這些器件適用于工程師需要設計靈活性的應用,例如 :能夠優化系統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 設計來創建解決方案,如 5G 遠程無線電頭端或高級陣列系統設計。


          ? 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。這些內部匹配的 GaN FET 常用于雷達和無線基礎設施應用中。


          ? PAM :PAM 旨在支持大功率應用,如商用 5G 多輸入多輸出 (MIMO) 和國防雷達。它們是內部匹配 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的尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 而設計的,同時可簡化設計,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的同一裸片上。MMIC 通常用于高頻率操作應用,其中功率附加效率 (PAE) 和低射頻損耗是重要的系統目標。FEM 為系統級封裝 (SIP) 解決方案,有助于設計人員利用 GaN 的高功率密度、熱導率和小尺寸。


          探索 GaN 系統設計和實現


          像 GaAs 這樣的成熟技術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,且接收鏈噪聲數字比較關鍵的應用,GaAs 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 仍是發射和接收組件的可行解決方案。


          GaAs 柵極長度繼續減少,有助于降低噪聲系數,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點,有助于提高生存性,降低噪聲系數。此外,GaN 的高輸入阻抗允許在系統上輕松實現射頻匹配。


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


          在雷達應用中,這意味著系統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。傳統雷達系統要求短脈沖寬度、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波操作。


          雷達 AESA 系統可能會使用數百到數萬個放大器。使用 GaN 可提高每個陣列元件的功率,從而擴大范圍?;蛘?,與 GaAs 和 LDMOS 等其他技術相比,每個元件可以使用更少的 GaN 器件來實現所需的輸出功率,從而降低成本和復雜性。


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


          5G 基站的 PA 通常進行了效率優化,同時需要實現 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能耗較高,所以效率至關重要。附加好處在于,這些系統運行的溫度更低,這一點很重要,因為它們安裝在基站天線的頂部,而不是在結構底部的空調建筑內。


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          圖 3-4 :DPD 和 Doherty PA 配置。


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


          了解 GaN Doherty PA 和數字預失真


          通過利用一些創新型射頻系統,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,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 系統所需的能量。使用 Doherty 時,DPD 至關重要。如圖 3-4 中所示,使用 DPD 和 Doherty 配置可實現更高效率和線性度。


          高壓 GaN 檢查


          對于有些應用來說,獲得最高輸出功率至關重要。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,該技術可能適用于某些應用,但并不適用于其他應用。


          雷達就是高壓 GaN 開拓新時代中的一個應用。雷達系統通常需要實現幾百到幾千瓦的功率放大。它們通過組合多個固態功率晶體管或使用 TWTA 來實現千瓦級放大。


          通過使用更高的工作電壓,GaN 技術可以用比其他技術更少的晶體管來實現這些輸出功率水平。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千瓦放大。此外,與其他技術相比,它外形更小巧,并且可以使用更少的晶體管更可靠地實現敵我識別和距離測量的軍事目標參數。


          作為附加好處,高電壓 GaN 可降低設計復雜性,因為它需要更少的晶體管來實現高功率水平。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 70% 至 80% 的效率。


          下面是高電壓 GaN 的一些關鍵優勢 : 


          ? 高功率密度 :它可減少晶體管數量,以及整體組件大小和重量。

          ? 更低功耗 :它可以減少系統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有市場探索更高的電壓范圍,以便在系統中實現進一步的性能提升。



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