射频HBT功率放大器热效应研究

发布时间：2017-09-22 04:13

  本文关键词：射频HBT功率放大器热效应研究

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【摘要】：砷化镓异质结双极型晶体管(GaAs HBT)在高频时具有功率密度大、线性度好、效率高等优点广泛应用于射频功率放大器(RF PA)的设计。近年来,RF PA的集成度日益增强导致功率密度不断上升。而GaAs材料导热系数小,放大器因而产生严重的热效应,致使HBT晶体管温度上升,其器件电学性能发生变化,从而恶化射频功率放大器的功率输出特性,成为制约其进一步发展的瓶颈。迫切需要对射频HBT功率放大器的热效应机理、相关电热耦合模型以及电路设计方法展开深入研究,这对设计功率输出特性良好的射频HBT功率放大器具有重要意义。本文从射频HBT功放电路芯片热设计思路出发,详细研究了射频功放的热传导机制、GaAs HBT晶体管温控特性及并联多管电热耦合关系等热效应问题,揭示了功放热效应的内在机理,建立了精确的分布式热电耦合模型,提出了热电性能均改善的自适应功率单元技术,并优化了放大器版图结构,完成了一款高性能射频功率放大器芯片的设计。论文主要创新成果如下：1、建立了分布式电热耦合模型,指出功率放大器实际工作中晶体管的温度呈非均匀分布特性,且温度分布特性取决于晶体管热源(直流功耗)大小及散热环境(所处位置、指间距等)优劣,这为功放热设计提供理论参考。2、提出了自适应功率单元技术,基于该技术,功放中的晶体管在工作过程中可随输入功率的增加逐渐打开,功放效率高,晶体管平均直流功耗减小,从而热源减小,可有效抑制晶体管温升,改善热效应。3、提出了采用镇流电阻网络实现自适应功率单元技术,基于镇流电阻的负反馈作用,改善了放大器的非线性特性。4、优化了自适应功放的版图结构,在不改变电气连接条件下将镇流电阻小的晶体管置于散热条件好的外侧,而镇流电阻大的晶体管置于散热条件差的内侧,并将指间距设计成由外向内逐渐减小的趋势,使晶体管温度曲线呈现均匀且低值的分布特性。5、基于AWSC 2μm GaAs HBT工艺设计了一款2.4GHz射频功放。在5V的电源电压条件下,输出功率为32dBm,效率达48%,与传统放大器相比,提高了5%左右。在频间距为600KHz条件下,IMD3在25dBm输出时可改善10dB。在热效应发生后,其输出功率变化仅为0.5dB,下降幅度远小于传统结构放大器。
【关键词】：射频功率放大器 热效应 GaAs HBT 热电耦合模型 镇流电阻 效率 线性度 指间距
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN722.75
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1. 射频HBT功率放大器的应用及发展9-10
• 1.2. GaAs HBT放大器的热效应问题及研究现状10-17
• 1.3. 本文的主要工作及创新17-21
• 第2章 射频功率放大器的电输出特性与热传导机制21-33
• 2.1. 射频功率放大器的电性能指标21-27
• 2.2. 放大器的电特性与热传导机制27-32
• 2.2.1. 传热基本方式27-28
• 2.2.2. 热传导下HBT温度分布的镜像运算法则28-32
• 2.3. 本章小结32-33
• 第3章 GaAs HBT晶体管的温控特性33-45
• 3.1. GaAs HBT工作原理与热产生机制33-34
• 3.2. 温度对HBT晶体管电特性的影响34-39
• 3.3. 镇流电阻与晶体管热稳定性39-44
• 3.4. 本章小结44-45
• 第4章 分布式电热耦合模型的建立45-63
• 4.1. 传统电热耦合模型45-52
• 4.1.1. 传统模型简介45-48
• 4.1.2. VBIC电热耦合模型48-52
• 4.2. 分布式电热耦合模型的提出52-62
• 4.2.1. 多指器件并联的温度分布52-60
• 4.2.2. 分布式电热耦合模型原理及实现方法60-62
• 4.3. 本章小结62-63
• 第5章 热电性能均改善的自适应功率单元技术63-78
• 5.1. 新型的自适应功率单元的提出63-70
• 5.1.1. 传统多指镇流电阻与电流分布63-65
• 5.1.2. 自适应镇流电阻网络设计65-70
• 5.2. 自适应电阻网络对电特性以及热特性的影响70-77
• 5.2.1. 自适应镇流电阻网络对效率以及线性的影响70-74
• 5.2.2. 自适应镇流电阻网络对温度特性的影响74-77
• 5.3. 本章小结77-78
• 第6章 2.4GHz HBT自适应功率放大器的芯片设计与测试78-93
• 6.1. 两级功率放大器的电路设计78-82
• 6.1.1. 工艺的选择78-80
• 6.1.2. 功率放大器的设计80-82
• 6.2. 版图结构的热调整技术82-88
• 6.2.1. 版图设计的一般规则82-84
• 6.2.2. 版图结构的热设计84-88
• 6.3. 测试与验证88-92
• 6.4. 本章小结92-93
• 第7章 总结与展望93-96
• 致谢96-97
• 参考文献97-105
• 在读期间发表的论文与取得的其它研究成果105

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本文编号：898709