一、介紹
十多年前，LDMOS晶體管作為雙極晶體管的替代品被引入射頻功率應(yīng)用。目前，LDMOS技術(shù)是基站應(yīng)用的領(lǐng)先射頻功率技術(shù)，特別是1 GHz和2
GHz的GSM-EDGE和W-CDMA應(yīng)用，以及最近的2.7GHz和3.8 GHz左右的WiMax應(yīng)用。最后一個(gè)使用雙極器件的小眾應(yīng)用領(lǐng)域是3-4
GHz微波領(lǐng)域，例如s波段雷達(dá)。主要原因是早期的LDMOS在3ghz時(shí)的性能與雙極相似，這不足以證明重新設(shè)計(jì)復(fù)雜雷達(dá)系統(tǒng)的合理性。LDMOS的主要驅(qū)動(dòng)力是大量應(yīng)用，這使得LDMOS技術(shù)不斷改進(jìn)，這導(dǎo)致了最新一代LDMOS，它在s波段頻率上優(yōu)于雙極，并具有一些額外的優(yōu)勢(shì)，如堅(jiān)固性和更好的熱性能。本文綜述了LDMOS在3
~ 4ghz頻段的改進(jìn)，并介紹了LDMOS在微波產(chǎn)品中的性能。
二、LDMOS優(yōu)勢(shì)
LDMOS晶體管是電壓控制器件，因此不像雙極器件那樣有柵極電流流動(dòng)。這種電壓控制允許更簡(jiǎn)單和更便宜的偏置電路。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與LDMOS后臺(tái)的源連接。雙極器件背面有一個(gè)收集器，需要將BeO封裝與鍵合線結(jié)合起來(lái)隔離。LDMOS允許用環(huán)保的陶瓷或塑料包裝取代有毒的BeO包裝。這是LDMOS的一大優(yōu)勢(shì)。封裝內(nèi)提供輸入和輸出匹配，以轉(zhuǎn)換阻抗水平并減少射頻損耗。批量源共晶焊接到封裝上，不需要源鍵合線，從而導(dǎo)致LDMOS晶體管的高增益。
LDMOS也比雙極具有更好的溫度穩(wěn)定性。雙極器件具有正溫度系數(shù)，導(dǎo)致熱失控。因此，雙極需要像鎮(zhèn)流器電阻一樣精心設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償，以保護(hù)設(shè)備免受故障的影響。在大電流下，LDMOS具有負(fù)溫度系數(shù)，在完全通電時(shí)自動(dòng)關(guān)閉器件。這導(dǎo)致了熱性能和堅(jiān)固性方面的天然優(yōu)勢(shì)。
LDMOS器件在脈沖持續(xù)時(shí)間方面具有很高的靈活性，這對(duì)于微波應(yīng)用非常重要。LDMOS的公共源配置穩(wěn)定了器件并防止了較低脈沖持續(xù)時(shí)間下的振蕩。
在過(guò)去十年中，LDMOS在3-4GHz頻率下的射頻性能也得到了顯著改善，明顯優(yōu)于雙極性能。
三、LDMOS微波產(chǎn)品性能
技術(shù)的不斷改進(jìn)造就了一流的微波產(chǎn)品。圖7展示了在2.7-3.1
GHz范圍內(nèi)的100w寬帶匹配設(shè)備。繪制了第6代LDMOS器件、第4代LDMOS器件和雙極器件的增益圖。Gen4器件的增益只比雙極器件高0.5
dB，而Gen6器件的增益比雙極器件高5 dB以上。
此外，第6代LDMOS器件的功率增加了10 W，并且在整個(gè)頻段內(nèi)具有更高的漏極效率。如圖8所示。顯然，與雙極技術(shù)相比，漏極效率已達(dá)到5-
10%的盈余。
另一種LDMOS微波產(chǎn)品是3.1-3.5 GHz頻率范圍內(nèi)的s波段LDMOS。這款120w微波產(chǎn)品的增益和效率如圖9所示。
與最先進(jìn)的雙極產(chǎn)品相比，S波段LDMOS明顯顯示出更好的增益和效率。在3.1
GHz時(shí)，效率接近50%，在高頻帶的高端，由于設(shè)備的寬帶匹配，仍然達(dá)到約44%。寬帶增益為11-12 dB。
四、微波產(chǎn)品可靠性
LDMOS產(chǎn)品的熱阻抗(ZTH)明顯優(yōu)于雙極產(chǎn)品。例如，當(dāng)脈沖長(zhǎng)度為10秒，占空比為10%時(shí)，雙極的ZTH為0.28
K/W，而在相同條件下，第二代LDMOS等效器件的ZTH為0.13
K/W。此外，LDMOS器件的效率更高，如前文所示。低ZTH和高效率的結(jié)合使得LDMOS結(jié)溫更低，可靠性更高。這較低的結(jié)溫加上MOS器件的負(fù)溫度系數(shù)對(duì)LDMOS產(chǎn)品的超速性能有積極的影響。LDMOS的超速性能如圖10所示。該設(shè)備可以輕松承受5db的超速而不會(huì)降級(jí)。
微波產(chǎn)品可以承受較大的VSWR失配條件，并利用特殊優(yōu)化的LDMOS工藝處理脈沖型信號(hào)。考慮到這個(gè)主題的重要性，我們將在單獨(dú)的出版物中詳細(xì)說(shuō)明堅(jiān)固性的改進(jìn)。在相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)用中，當(dāng)大量放大器組合在一起時(shí)，插入相位成為一個(gè)重要的參數(shù)。LDMOS的公共源配置減少了耦合
在內(nèi)部匹配電路中不同的鍵合線之間。這種配置與CMOS工藝控制相結(jié)合，提高了插入階段的擴(kuò)展。與雙極相比，LDMOS的分布要窄得多。
五、射頻功率技術(shù)概述
在過(guò)去的十年中，LDMOS技術(shù)在性能上迅速發(fā)展，成為射頻功率晶體管的首選技術(shù)。本文重點(diǎn)介紹了LDMOS技術(shù)在微波應(yīng)用中對(duì)雙極器件的替代，并闡述了LDMOS的優(yōu)點(diǎn)。LDMOS是目前基站、廣播、ISM和微波應(yīng)用設(shè)計(jì)的首選技術(shù)。GaAs技術(shù)很少用于這些應(yīng)用，但首選用于移動(dòng)電話放大器和高頻應(yīng)用。對(duì)于較低功率水平(低于1w)，市場(chǎng)由CMOS主導(dǎo)。
新技術(shù)不斷發(fā)展，但尚未成熟，如射頻功率技術(shù)，其中可靠性是一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)。GaN現(xiàn)在已經(jīng)取代了SiC，成為高頻、高功率應(yīng)用中最有前途(但仍不成熟)的未來(lái)技術(shù)。這種技術(shù)可以打開(kāi)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的概念，如開(kāi)關(guān)模式功率放大器。圖11概述了當(dāng)今設(shè)計(jì)中的首選技術(shù)與功率和頻率的關(guān)系。我們看到LDMOS正在向高頻(>
4-5 GHz)應(yīng)用和高功率應(yīng)用擴(kuò)展。LDMOS作為射頻電源技術(shù)已經(jīng)占據(jù)了堅(jiān)實(shí)的地位，并具有發(fā)展更多新應(yīng)用的前景。
六、結(jié)論
綜上所述，我們已經(jīng)展示了3.6 GHz
LDMOS技術(shù)在過(guò)去十年中的改進(jìn)概況。LDMOS技術(shù)已成為微波應(yīng)用的器件選擇。所提出的用于s波段雷達(dá)的LDMOS微波產(chǎn)品輕松優(yōu)于雙極產(chǎn)品，同時(shí)具有更好的堅(jiān)固性和熱性能等額外優(yōu)勢(shì)。
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