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晶体管技术助力固态放大器
作者:Jack Browne
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二极管、三极管展厅
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早期的大功率射频/微波放大器依赖于真空电子器件,如行波管(TWT)。但尺寸和重量受限的应用(如机载航空电子系统)需要放大器设计人员从晶体管中获取越来越大的功率电平。最终业界研发出了不同种类的大功率射频/微波分立晶体管技术,从传统的硅双极晶体管到最新的大功率碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率晶体管。

硅双极晶体管曾经是大功率脉冲式雷达系统的理想选择。然而,这些器件具有正温度系数,随着温度上升,偏置电流会越来越大。而电流的增加将导致器件结温上升,最终造成危险的“热失控”局面。因此,双极功率放大器一般要采用精心设计的温度补偿电路来防止出现过流状态。

通过利用硅外延材料改造FET器件结构,诸如金属氧化物半导体FET(MOSFET)和横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管等器件可以提供与硅双极晶体管相当的功率电平,而且具有许多优点。首先,这些器件具有负温度系数,在温度变化时比较稳定。而且能够提供比针对相同频率范围设计的双极晶体管更大的增益。因此,硅LDMOS晶体管在蜂窝基站中的功放以及各种雷达系统中的脉冲应用中得到了广泛普及。

Richardson Electronics公司提供的网上产品矩阵是寻找不同频率和功率电平的LDMOS晶体管的很好入口。产品指南包含了来自领先LDMOS器件供应商的晶体管,其中包括飞思卡尔半导体(Freescale)、英飞凌科技(Infineon)、M/A-COM Technology Solutions、意法半导体(ST)和TriQuint。

例如,MR-F377HR3就是来自飞思卡尔的一款大功率LDMOS晶体管,设计用于提升通信与数字电视系统中的数字调制信号。它能在470MHz至860MHz范围内提供1dB压缩点235W的额定输出功率,在860MHz时增益超过18dB。更具代表性的是,这种器件在处理复杂的64QAM信号时,可以在整个频率范围内提供45W的平均输出功率和16.7dB的增益。MR-F377HR3采用+32VDC电源供电。

飞思卡尔还提供型号为MRF6VP121KHR6的LDMOS晶体管,该晶体管适合频率从965MHz至1215MHz的脉冲信号应用。由于信号持续时间较短,这种硅LDMOS器件可以在+50VDC电源供电下提供1kW的峰值输出功率。这个输出功率值基于的是128μs脉宽、10%占空比的信号。该晶体管可以实现20dB的功率增益和56%的能量转换效率。

恩智浦半导体(NXP)是不在Richardso列表之中的LDMOS器件供应商之一,该公司可为脉冲式航空应用提供大功率LDMOS晶体管,比如BlA0912-250R。这款器件的最大电源电压为+36VDC,在处理960MHz至1215MHz范围内的100μs脉宽、10%点空比脉冲信号时,可以提供超过12dB的增益和250W的输出功率。BlA0912-250R是一种硅LDMOS晶体管,采用带陶瓷帽的SOT-502A法兰盘封装,非常适合频率从1030MHz至1090MHz的TCAS和Mode-S系统以及频率从960MHz至1215MHz的JTIDS系统使用。

IXYS RF公司的IXZ2210N50L是一种硅MOSFET,能够在175MHz频率处提供550W的连续波输出功率和14dB的增益。IXZ2210N50L采用+150VDC电源供电,具有至少50%的能量转换效率,因此是广播应用的理想之选。

对于熟悉硅双极晶体管的放大器设计人员来说,M/A-COM Technology Solutions公司的MRF10502是一款专为TCAS、TACAN和Mode-S发射机应用设计的大功率器件。它适合在1025MHz至1150MHz的频率范围内使用,在1090MHz时增益为9dB。在提升占空比为1%的10μs脉冲信号时,这款双极晶体管可以产生500W的峰值输出功率。MRF10502采用密封陶瓷封装,电源电压为+65VDC。

当需要在更高频率点提供更大的固态输出功率时,必须放弃硅晶体管,转而采用外延特性更好的材料,如SiC和GaN。去年,大功率SiC脉冲式雷达晶体管的创新企业Microsemi推出了型号为0405SC-2200M的UHF(406MHz至450MHz)器件,其性能超过早期型号为0405SC-1500M的1500W UHF晶体管,额定输出功率为2200W,非常适合气象雷达和超视距(OTH)雷达使用。这个输出功率值是根据406MHz至450MHz范围内6%的占空比、300μs的脉宽确定的。与早前的1500W器件一样,0405SC-2200M使用+125VDC高电源电压来最大限度地降低峰值电流要求。这是一种脉冲式SiC晶体管,在450MHz时可以实现8dB的典型功率增益和55%的能量转换效率。该器件采用密封的法兰盘封装。

虽然GaN器件还没有达到SiC的脉冲式输出电平,但也是为频率高于SiC的应用开发的器件,包括RF Micro Devices公司最近发布的RF3934 GaN器件。虽然RF3934是作为“GaN放大器”出售,但实际上它是一种采用密封法兰盘陶瓷封装的高性能GaN HEMT裸片(图1)。RF3934可以经过优化应用于从直流至3GHz的频率范围,在2GHz时具有13dB的额定增益,在3dB压缩点具有高达140W的额定输出功率。该器件采用+48VDC电源供电,与RF3934D一样采用裸片形式(无封装)供货。

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图1:型号为RF3934的产品虽然称为GaN放大器,但也是采用陶瓷封装的性能优异的GaN HEMT器件。它可以用在从直流至3GHz的频率范围内,在3dB压缩点可提供140W的输出功率。

CGH21240F是Cree公司推出的一款GaN HEMT器件,设计用于第4代(4G)蜂窝通信基站放大器中的大功率应用。这款性能卓越的器件经过优化可用于1800MHz至2300MHz的频率范围,可以产生高达240W的输出功率。在处理LTE和WiMAX系统的调制信号时,该器件可以提供40W的平均功率和33%的效率。CGH21240F在2.2GHz时可提供15.1dB的增益,器件采用陶瓷/金属法兰盘封装。CGH21240F采用+28VDC供电电压,在脉冲工作模式下可以达到65%的能量转换效率。

由于面临着从晶体管这样的小型热源如何正确散热的挑战,GaN先驱Nitronex公司致力于通过最新代GaN晶体管实现较低的器件热阻。该公司在去年发布了型号为NPT1010的+28VDC供电的GaN HEMT,通过阻抗匹配可以用于从直流到2GHz的频率范围。NPT1010工作在900MHz时可以在3dB压缩点提供100W的输出功率,并提供19.7dB的典型小信号增益和64%的典型能量转换效率。这款GaN HEMT器件的热阻为1.4℃/W,因此非常有助于大功率级应用的热管理。

针对公司的新一代GaN器件,该公司工程技术副总裁Ray Crampton这样说道:“我们致力于减少温升,并制订了一个完整的计划来处理所有关键因素:FET设计、裸片厚度、裸片粘接方法和封装材料。我们早就认识到,基板的影响相对其它因素特别是FET设计来说是次要的。通过整合多个领域的改进成果,新产品与上一代产品相比在热性能方面提高了22%。”

在纯带宽方面,GaAs FET器件仍能很好地涉足微波领域,而大多数GaN功率晶体管在大约3GHz处趋于稳定。不过TriQuint公司通过在SiC基板上制造GaN HEMT给业界带来了令人印象深刻的器件,包括可用带宽为直流至18GHz的TGF2023-20。这款90W的分立功率晶体管非常适合宽带无线、国防和航空应用,在工作频率范围的低端可以提供+49.6dBm的饱和输出功率,增益可达17.5dB。当采用+28VDC电源供电时,该器件可提供52%的电源增值效率。

功率GaAs FET仍被用于许多不同的应用领域,特别是较窄的电信频带和较宽的EW应用。去年,作为功率GaAs FET领域中长期领军企业的东芝美国电子元件公司(Toshiba America Electronic Components)发布了Ku频段功率GaAs FET系列产品中的新成员:TIM1213-18L和TIM1213-30L器件,这两款器件在12.7GHz至13.2GHz范围内分别可提供18W和30W的输出功率。该公司在这个频率范围内的早期产品只能提供从2W至15W的输出功率。TIM1213-18L可以在1dB增益压缩点提供+42.5dBm的输出功率,在规定频率范围内具有6dB的典型功率增益和28%的PAE。TIM1213-30L可在1dB增益压缩点提供+45.0dBm的输出功率,并且具有5.5dB的典型功率增益和23%的PAE。

另外一家功率GaAs FET的长期供应商富士通(Fujitsu)在其器件的业务路线方面作出了一些改变,并在2004年与Sumitomo Electric Device Innovations公司成立了一家名为Eudyna的合资企业,当时Sumitomo公司更为人们所熟知的是其GaAs代工服务。2009年富士通最终将50%的合作股份出售给了Sumitomo。因此,以前曾属于富士通旗下的所有用于电信频带(如3.7GHz至4.2GHz、5.9GHz至6.4GHz)的大功率GaAs FET器件现在都由Sumitomo公司支持、制造和提供。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (8/1/2011)
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