在第三代通信放大器中HBT挑战MESFET

2006-05-07 15:50:10来源: 电子产品世界

关键词:无线通信 射频集成电路 场效应管 异质结管

    无线通信即将进入第三代系统。近年来,从移动手机至基站无线设备的功率放大器,都采用GaAs材料的金属半导体场效应晶体管(MESFET),以代替早期的Si双极晶体管(BJT)。现代半导体材料和工艺的改进,提供更多的高性能晶体管为第三代无线设备服务。值得注意的是异质结双极晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)和SiGe晶体管等器件,目前GaAs HBT已具备向GaAs MESFET挑战的性能价格比。

    异质结双极晶体管与传统的双极晶体管不同,前者的发射极材料不同于衬底材料,后者的整个材料是一样的,因而称为异质结器件。异质结双极晶体管在GaAs衬上用InGaP发射极获得成功,HBT基的射频集成电路(RFIC)已在蜂窝移动电话末级功率放大器、基站驱动级、有线电视的光纤线路驱动器上获得成功,证明HBT的性能比通用的MESFET的性能更好。

异质结双极晶体管的特点

   
目前上市的InGaP/InGaAs HBT器件是Stanford微器件公司的NGA系列,它在2GHz下具有19dB的增益和良好的线性度,输出功率达到+17dBm,并具有足够的动态范围,输出三阶截点(OIP3)超过+38dBm,单电源+4v下电流是80mA。两种NGA放大器集成电路的主要性能如表1所示。

表1 NGA系列放器

参  数 NGA-489 GNA-589
频率 0.1-8.0GHz 0.1-6.0GHz
增益 14.5dB(2GHz下) 19dB(1GHz下)
输出IP3 +39.5dBm(2GHz下) +38dBm(1GHz下)
噪声系数 4.5dB 4.5dB
输出功率 +17.5m(2GHz下) +19.0dBm(1GHz下)
供电电源 +4.2V,80m +5.0V,80mA

表2 RF IC的几种工艺

参数 Si双极 SiGeHBT GaAsFET GaAs HEMT GaAs HBT
增益 一般 优良 优良 优良 优良
功率密度 优良 优良 一般 优良
效率 一般 优良 优良 优良
优值 优良 优良
击穿电压 优良 优良 优良
单电源供电  

表3 新的NGA放大器系列

型  号 频率(GHz) 增益(dB) 输出功率(1dB压缩)(dBm) 三阶截点(dBm)
NGA-100 0.1~8.0 12(2GHz) +15(2GHz) +32(2GHz)
NGA-200 0.1~0.6 15(2GHz) +15(2GHz) +32(2GHz)
NGA-300 0.1~0.3 21(1GHz) +15(3Ghz) +32(2GHz)
NGA-600 0.1~6.5 12(2GHz) +19(2GHz) +36(2GHz)
NGA-700 0.1~2.0 24(2GHx) +15(92GHz) +36(2GHz)
NGA-800 0.1~2.0 24(2GHz) +19(2GHz) +36(2GHz)
NGA-900 0.1~2.0 27(2GHz) +15(2GHz) +32(2GHz)
NGA-1000 0.1~2.0 27(2GHz) +19(2GHz) +36(2GHx)

    GaAs材料具有比Si材料更高的载流子迁移率,因而高频增益较高,温度特性更好。Si材料是炼工艺可拉制12英寸直径的单晶,GaAs圆片直径在6英寸以下,Si材料比GaAs材料便宜。但是GaAs衬底的半绝缘性质适于制成无湖泊元件,Si衬底的半导体性质不具备这种条件。双极晶体管的电流流动是垂直取向的,FET是纵向结构,因而在同样输出功率下双极晶体管的面积比FET小两三倍,并且在高频率下具有更高的增益。对于线性应用的放大器,性能优值由输出三阶截点(OIP3)与输出1dB压缩点(OIP3-P 1dB)的差值来表示,性能优值是器件效率的表征。MESFET的典型值是9至10dB,GaAs HBT的相应值大于15dB。由于性能优值很高,GaAs HBT的基极-发射极的异质结非线性可以省略,有利于多音互调信号的抑制。SiGe HBT器件亦具有14dB的性能优值。

    在非A类放大状态的大信号下工作的器件,需要高的击穿电压。GaAs材料的导带宽度高于Si材料,在同样的掺杂浓度下GaAs器件击穿电压高于Si器件。移动电话的功率放大器的供电电压只有+3至+5V,对击穿电压要求不高。对基站工作的+10V供电电压,功率放大器选用较高的工作点,以便减少在低压大电流下的电阻损耗。另外,与GaAs HBT不同,GaAs MESFET是耗尽型器件,需要负电压供电来控制通道电流,此时正电压电源由一块电源集成电路变换极性。另外,为降低功率放大器的待机电流,GaAs MESFET采用开关去控制关态下的泄漏电流,故GaSs HBT的功率放大器电路比较简单,对于移动手机可节约出20mm的外围电路面积。GaAs HBT器件全部使用分子束外延生长技术。

    器件的结温与平均失效时间(MTTF)有密切关系,大部分GaAs HBT器件采用A1 GaAs发射极,Stanford微器件公司的NGA系列采用InGaP发射极,前者的激活能较低且平均失效时间只有105小时,后者的激活能较高,结温可达到+125℃,平均失效时间超过107小时。

    几种RF IC的工艺比较如表2所示。

异质结双极晶体管电路

    GaAs HBT的基本电路如图1所示。这是简化的电路图,采用直流耦合的达林顿级联,输入输出阻抗50Ω,宽带级联全部使用电阻元件。第二级发射极电阻Re2调节增益和带宽的要求值,并获得3dB的滚降频率特性,第一级发射极电阻Re1决定第一和第二级的电流平衡,Re1和Re2的等效并联决定电路的输入阻抗。整个放大器的效率由第一和第二极的电流平衡来获得最佳值,电路的级性度和频率滚降特性由每级器件的最佳电流密度偏置。NGA-489集成电路和NGA-589集成电路分别在8GHz和6GHz以下带宽内具有良好线性度,以及14dB和19dB的增益。它们采用Micro-X-86和SOT-89型低热阻封装,电路驻波比是1.5:1。

    除NGA-498和NGA-589外,还有用于2GHz、3GHz和6.5GHz带宽,增益在20dB以上各种型号,见表3。例如NGA-1000带宽是0.1至2.0GHz,增益27dB,三阶截点+36dBm和输出功率19dBm。由于增益较高,集成电路采用多级达林顿电路级联和电流反馈,接地电阻和电感必须减少,防止寄生振荡。典型供电电路如图2所示,电源降压电阻用于保证电路芯片获得规定电压,最好有+2到+3V压降,以保证减少电压变动的影响。NGA系列放大器具有很平坦的增益,例如NGA-489从0.1至4.0GHz的增益平坦度达到±0.5dB,群延时小于90ps,反向隔离18dB,额定工作温度-45°至+85℃。因为GaAs的热阻是Si的三倍,而工作电流密度低于25KA/cm2,热阻等于110℃/W,平均换效时间约2百万小时。根据GaAs HBT的电学性能可知,它们非常适用于移动通信手机、蜂窝基站的驱动级、有线电视和光纤的驱动放大器。GaAs HBT集成电路价格虽然比GaAs MESFET集成电路高,但是由于电路较简单,性能优于后者,目前已经可与后者争一日之长短,随着产量的增加和工艺的改进,GaAs HBT的价格还有进一步下降的余地。

    Stanford微器件公司除生产InGap HBT NGA系列外,学有SiGe HBT的SGA系列放大器,用于3.5GHz以下的射频放大,性能与NGA系列相近。其它半导体生产公司如Anadigics、RF微器件、Eic、Raytheon等公司都生产与Stanford公司类似的产品。HBT的RF IC已用于2.5G的移动电话和“蓝牙”个人无线网的收发器,并且预期在3G的移动通信中获得更多的应用。

    HBT的RF IC和模块的开发工作今后会有更多的成果,HBT的RF IC已在6英寸圆片上完成批量生产。频率44GHz的InP HBT单片微波集成电路由TRW公司制成,它的性能高于其它工艺的器件,特别是线性优值,即三阶截点输出功率与直流功率之比(IP3/Pdc)达到42.4/1.0,可用于毫米波接收机和高速率光纤放大器。

关键字:第三  第三代  通信  放大

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