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  • 用于广播应用的Ampleon高压RF LDMOS技术

    发布时间：2023-11-20 09:26:29     浏览：933

    　　介绍：

    　　射频功率放大器是个人通信系统(GSM, EDGE, W-CDMA, WiMAX)基站的关键部件。对于这些功率放大器，射频横向扩散MOS (LDMOS)晶体管由于其出色的功率能力，增益，效率，线性度，可靠性和低成本而成为标准选择。

    　　LDMOS晶体管也是广播应用中的器件选择，其中带宽，坚固性和热阻等附加要求很重要。在广播应用中，UHF (470- 860mhz)的带宽(BW)要求几乎是一个倍频程，比基站中的W-CDMA信号大10倍以上。此外，LDMOS晶体管的设计，除了10:1的驻波比外，还应具有承受大功率发射机突然失配的能力。由于要求低于0.4 K/W的高功率水平，晶体管和封装的热阻也非常关键。不断有更高的功率水平的需求，以减少晶体管板的空间到最小。为了开发具有成本效益的广播发射机，需要两倍的最先进功率(150w)才能使模拟放大器的直接2比1替换成为可能，而数字广播信号甚至需要更高的功率水平。

    　　最大功率受到低阻抗输出匹配级的限制，给再现性和可靠性带来了问题。解决方法是开发一种可以在更高电压下工作的装置。这增加了负载阻抗，使更可靠的电路设计成为可能，从而确保匹配元件的长寿命。

    　　本文介绍了40v LDMOS技术及其向50v技术的演进。这两种技术都具有非�？淼钠荡僮鳎浅：玫募峁绦院头浅８叩氖涑龉β剩视糜赨HF广播应用。与最先进的32v LDMOS器件相比，这些高压器件(300- 500w)的功率增加了一倍以上。

    　　设备描述

    　　高压射频LDMOS技术是在基站射频LDMOS技术的基础上发展起来的。如图1所示，该技术在8英寸CMOS晶圆厂中进行处理，能够光刻至0.14 um，其中LDMOST工艺源自具有LOCOS隔离的C075 CMOS (0.35 um栅极)工艺。在C075工艺的基础上增加了基片源sink、CoSi2栅极硅化、钨屏蔽、蘑菇型漏极结构和厚2.8 μm的第四层AlCu金属化层。该器件的布局如图2所示。

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    　　它由许多(通常是50个)平行的手指组成，由漏极和栅极连接条连接。四个这样的模具组合在一个陶瓷推挽封装实现一个电源产品。特别开发的ESD器件对栅极进行保护。

    　　通过设计漏极延伸、外延层厚度和屏蔽结构，进一步将40 V和50 V的击穿电压分别提高到90 V和110 V，为高压工作开辟了道路。

    　　晶体管的导通电阻和击穿电压都经过优化设计。这种优化的成功可以从漏极延伸区域的电场分布非常平坦，栅极和漏极边缘只有非常弱的峰值来识别。该分布如图3所示。此外，由于这种工程场分布，晶体管的坚固性和可靠性也得到了根本改善。

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    　　射频性能

    　　图4显示了0.86 GHz时高压LDMOS在42 V电源电压下的窄带连续波ab类射频性能。该器件的增益通常为21 dB，由串联栅极电阻限制，以实现低频的良好稳定性和易于调谐。功率水平为400w时的峰值效率为65%，而50v电源电压技术的峰值效率为500w(未示出)。

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    　　在图5中，绘制了窄带测试夹具中音调间距为100 kHz的双音性能。三阶调制间积IMD3穿过-30 dBc，接近200 W的平均输出功率。相应的漏极效率为52%。

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    　　广播行业正在大规模引进数字广播，广播公司和服务提供商迫切希望推进数字传输。这个数字DVB-T信号是一个OFDM调制信号，CCDF的0.01%概率为9.6 dB(包络方法)。在晶体管的输出端，线性化需要大约8 dB的CCDF - 0.01%。晶体管应能处理模拟和数字信号。DVB的设备性能如图6所示。该信号的肩距(距离中心频率为4.3 MHz)在平均输出功率下保持在-32 dBc以下。增益约为20 dB，效率为32%。对于50v技术，可以实现120w的输出功率和相同的效率。

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    　　射频性能分析

    　　从LDMOS的串联和并联损耗机制可以分析实际测量的DVB效率，并将其与b类的理论最大效率进行比较。根据对小型设备的测量推断，高压技术在0.86 GHz时的最大效率约为75%。高压效率曲线与回关闭功率的关系如图10所示，我们看到这条曲线非常接近理论最大b类效率。测量到的30- 32%的DVB效率在8 dB回退时实现。在频率为0.86 GHz和电源电压为40-50 V时，由于导通电阻和输出电容，我们有并联和串联损耗的组合。根据它们的技术值，我们估计了ab类的损失，如图10中的蓝色曲线所示。广播应用的高压射频LDMOS技术实现的效率比从损耗机制理论估计的要高。这种差异可以归因于更高的谐波贡献，与截止频率相比，这在低频时变得重要。

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    　　可靠性

    　　高压LDMOS工艺是根据Ampleon使用的标准程序合格的，符合行业标准。特别注意了热载流子的降解。热载流子降解是由高电场和高电流密度共同引起的。

    　　当晶体管偏置到静态状态时测量衰减，这是针对高压技术的，通常在电流为5 mA / mm栅极宽度和漏源电压为40-50 V的情况下。这种静态电流的退化可能导致器件性能的变化。高压器件的性能得到了改善，如图12所示。在同一图中，有一个广播晶体管的退化数据，从一个32伏的一代。尽管新电压晶体管的偏置条件较高，但它们几乎没有表现出任何退化。外推20年后，退化率仅为2%。

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    　　热阻对300- 500w的器件来说非常重要。因此，利用ANSYS对其热阻进行了模拟。图13显示了一个模拟示例。利用该ANSYS工具对模具和封装的热阻进行了优化。这导致典型的测量值为0.35 K/W，结温低于160°C，允许可靠的操作。

    　　结论

    　　总之，我们展示了新的高压(40-50 V) RF LDMOS技术，该技术可以在高达1.0 GHz的频率下提供300-500 W的连续波功率和75-110 W的线性平均DVB功率。这些技术具有非�：玫募峁绦裕桓霭硕鹊目泶僮鳎⑶曳浅？煽俊�

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