本文關(guān)鍵詞：射頻HBT功率放大器熱效應(yīng)研究

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【摘要】：砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(GaAs HBT)在高頻時(shí)具有功率密度大、線性度好、效率高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于射頻功率放大器(RF PA)的設(shè)計(jì)。近年來(lái),RF PA的集成度日益增強(qiáng)導(dǎo)致功率密度不斷上升。而GaAs材料導(dǎo)熱系數(shù)小,放大器因而產(chǎn)生嚴(yán)重的熱效應(yīng),致使HBT晶體管溫度上升,其器件電學(xué)性能發(fā)生變化,從而惡化射頻功率放大器的功率輸出特性,成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。迫切需要對(duì)射頻HBT功率放大器的熱效應(yīng)機(jī)理、相關(guān)電熱耦合模型以及電路設(shè)計(jì)方法展開(kāi)深入研究,這對(duì)設(shè)計(jì)功率輸出特性良好的射頻HBT功率放大器具有重要意義。本文從射頻HBT功放電路芯片熱設(shè)計(jì)思路出發(fā),詳細(xì)研究了射頻功放的熱傳導(dǎo)機(jī)制、GaAs HBT晶體管溫控特性及并聯(lián)多管電熱耦合關(guān)系等熱效應(yīng)問(wèn)題,揭示了功放熱效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理,建立了精確的分布式熱電耦合模型,提出了熱電性能均改善的自適應(yīng)功率單元技術(shù),并優(yōu)化了放大器版圖結(jié)構(gòu),完成了一款高性能射頻功率放大器芯片的設(shè)計(jì)。論文主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下：1、建立了分布式電熱耦合模型,指出功率放大器實(shí)際工作中晶體管的溫度呈非均勻分布特性,且溫度分布特性取決于晶體管熱源(直流功耗)大小及散熱環(huán)境(所處位置、指間距等)優(yōu)劣,這為功放熱設(shè)計(jì)提供理論參考。2、提出了自適應(yīng)功率單元技術(shù),基于該技術(shù),功放中的晶體管在工作過(guò)程中可隨輸入功率的增加逐漸打開(kāi),功放效率高,晶體管平均直流功耗減小,從而熱源減小,可有效抑制晶體管溫升,改善熱效應(yīng)。3、提出了采用鎮(zhèn)流電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功率單元技術(shù),基于鎮(zhèn)流電阻的負(fù)反饋?zhàn)饔?改善了放大器的非線性特性。4、優(yōu)化了自適應(yīng)功放的版圖結(jié)構(gòu),在不改變電氣連接條件下將鎮(zhèn)流電阻小的晶體管置于散熱條件好的外側(cè),而鎮(zhèn)流電阻大的晶體管置于散熱條件差的內(nèi)側(cè),并將指間距設(shè)計(jì)成由外向內(nèi)逐漸減小的趨勢(shì),使晶體管溫度曲線呈現(xiàn)均勻且低值的分布特性。5、基于AWSC 2μm GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)了一款2.4GHz射頻功放。在5V的電源電壓條件下,輸出功率為32dBm,效率達(dá)48%,與傳統(tǒng)放大器相比,提高了5%左右。在頻間距為600KHz條件下,IMD3在25dBm輸出時(shí)可改善10dB。在熱效應(yīng)發(fā)生后,其輸出功率變化僅為0.5dB,下降幅度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)放大器。
【關(guān)鍵詞】：射頻功率放大器 熱效應(yīng) GaAs HBT 熱電耦合模型 鎮(zhèn)流電阻 效率 線性度 指間距
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN722.75
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-21
• 1.1. 射頻HBT功率放大器的應(yīng)用及發(fā)展9-10
• 1.2. GaAs HBT放大器的熱效應(yīng)問(wèn)題及研究現(xiàn)狀10-17
• 1.3. 本文的主要工作及創(chuàng)新17-21
• 第2章 射頻功率放大器的電輸出特性與熱傳導(dǎo)機(jī)制21-33
• 2.1. 射頻功率放大器的電性能指標(biāo)21-27
• 2.2. 放大器的電特性與熱傳導(dǎo)機(jī)制27-32
• 2.2.1. 傳熱基本方式27-28
• 2.2.2. 熱傳導(dǎo)下HBT溫度分布的鏡像運(yùn)算法則28-32
• 2.3. 本章小結(jié)32-33
• 第3章 GaAs HBT晶體管的溫控特性33-45
• 3.1. GaAs HBT工作原理與熱產(chǎn)生機(jī)制33-34
• 3.2. 溫度對(duì)HBT晶體管電特性的影響34-39
• 3.3. 鎮(zhèn)流電阻與晶體管熱穩(wěn)定性39-44
• 3.4. 本章小結(jié)44-45
• 第4章 分布式電熱耦合模型的建立45-63
• 4.1. 傳統(tǒng)電熱耦合模型45-52
• 4.1.1. 傳統(tǒng)模型簡(jiǎn)介45-48
• 4.1.2. VBIC電熱耦合模型48-52
• 4.2. 分布式電熱耦合模型的提出52-62
• 4.2.1. 多指器件并聯(lián)的溫度分布52-60
• 4.2.2. 分布式電熱耦合模型原理及實(shí)現(xiàn)方法60-62
• 4.3. 本章小結(jié)62-63
• 第5章 熱電性能均改善的自適應(yīng)功率單元技術(shù)63-78
• 5.1. 新型的自適應(yīng)功率單元的提出63-70
• 5.1.1. 傳統(tǒng)多指鎮(zhèn)流電阻與電流分布63-65
• 5.1.2. 自適應(yīng)鎮(zhèn)流電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)65-70
• 5.2. 自適應(yīng)電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)電特性以及熱特性的影響70-77
• 5.2.1. 自適應(yīng)鎮(zhèn)流電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)效率以及線性的影響70-74
• 5.2.2. 自適應(yīng)鎮(zhèn)流電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)溫度特性的影響74-77
• 5.3. 本章小結(jié)77-78
• 第6章 2.4GHz HBT自適應(yīng)功率放大器的芯片設(shè)計(jì)與測(cè)試78-93
• 6.1. 兩級(jí)功率放大器的電路設(shè)計(jì)78-82
• 6.1.1. 工藝的選擇78-80
• 6.1.2. 功率放大器的設(shè)計(jì)80-82
• 6.2. 版圖結(jié)構(gòu)的熱調(diào)整技術(shù)82-88
• 6.2.1. 版圖設(shè)計(jì)的一般規(guī)則82-84
• 6.2.2. 版圖結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)84-88
• 6.3. 測(cè)試與驗(yàn)證88-92
• 6.4. 本章小結(jié)92-93
• 第7章 總結(jié)與展望93-96
• 致謝96-97
• 參考文獻(xiàn)97-105
• 在讀期間發(fā)表的論文與取得的其它研究成果105

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本文編號(hào)：898709