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器件揭秘:市面上能产生最高功率的GaN晶体管

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发表于 2018-10-22 22:35:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
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在高功率放大器领域,提高单封装晶体管功率的想法从未中断过。从多个小型晶体管构成的放大器发展到由单个大型晶体管构成的放大器可简化装配和外部组合网络,同时还可以缩减整体尺寸。为满足这种功率需求,Qorvo开发出一款适合L频段航空无线电导航应用的1.8kW GaN on SiC晶体管QPD1025。


QPD1025是一款双通道器件,频率范围为1.0至1.1GHz。频率为1GHz且在65V进行偏置时,每一个通道都可提供900W的最大输出功率(参见图1),从而产生1.8kW的组合功率——目前市场上GaN晶体管的最高功率。在负载牵引时测量的最高效率为77%。在应用板上测量的线性增益为21dB(参见图2)。QPD1025采用41mm x 10mm NI-1230封装,有两种配置可供选择:有耳式(QPD1025L)和无耳式(QPD1025)。

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图1:半个设备(单通道)负载牵引等高线图,在频率为1GHz、占空比为10%时采用100µs宽的RF脉冲测得。最大功率为59.7dBm,最大漏极效率为77.2%,最大增益为19.6dB。


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图2:在25℃温度下评估板中测得的小信号S参数,显示了1.0至1.1GHz工作频段以外的性能。
宽带性能

随着晶体管尺寸越来越大,其阻抗越来越低,这通常会导致难以实现外部匹配网络,并且带宽受限。QPD1025可从两个方面解决这个问题。首先,使用一个65V漏极电压生成一个比功率和技术类似的50V器件更高的输出阻抗。负载牵引等高线(如图1所示)显示每个通道的可控输出阻抗约为2Ω。其次,封装包含一个单级预匹配输入,不仅可提高稳定性,而且还可提供“更友好的”输入阻抗。这些特性可实现带宽较宽的电路板设计,同时不必使用高介电基板,如图2中的宽带性能所示。

融合灵活性

QPD1025的双通道配置支持多个放大器选项。应用板(如图3所示)采用同相组合,外形紧凑、损耗低。可通过使用大小适当的混合耦合器设计一个平衡配置。该架构可在通道之间实现更多隔离,并可消除偶次谐波。由于每个通道都可以单独进行偏置,所以可使用适当的组合网络设计一个对称的Doherty放大器。
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图3:应用板中采用同相组合的QPD1025L。


稳定性和坚固耐用性

Qorvo专注于确保所有晶体管产品的稳定性。首先从设计过程开始,通过环路增益分析和参数测量,利用线性模型进行奇数和偶数模式模拟。利用-40℃条件下测得的小信号测量值验证稳定性,从而证实QPD1025可在应用板中无条件保持稳定。通过在-40℃的不同VSWR和驱动条件下寻找优于-60dBc的杂波,评估高功率条件下的稳定性。QPD1025在高达2:1 VSWR的苛刻条件下没有任何杂波。器件稳定性在很大程度上是内部特性的产物,印刷电路板上无需任何外来器件,只需在栅极偏置线路的输入和电阻端串联一个RC滤波器。

此外,还对坚固耐用性进行了全面测试,测试结果显示QPD1025在10:1 VSWR负载的3dB压缩条件下通过了脉冲测试,并在至少6dB压缩条件下通过了过驱测试,这两个测试均在25℃条件下进行。

稳定性和坚固耐用性

适合QPD1025L的应用板在功率和效率之间采用折中匹配,偏向于效率匹配。在室温条件下,频率范围为1至1.1GHz的漏极效率超过72%,而功率范围则为1.3至1.5kW(参见图4)。峰值功耗为460W,低于500W CW功耗限值。在脉冲条件下,功耗限值增加,且可能会通过降低效率的方式实现所需功率。室温条件下的线性增益为21dB。

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图4:QPD1025在25℃和3dB增益压缩条件下的脉冲性能,占空比为10%时采用100µs宽的RF脉冲测得。应用板采用同相组合。

应用板基板采用行业标准的Rogers RO4350B 20mil有机基板,置于低成本的镀镍铝底板上。尽管QPD1025的每个通道支持独立的漏极和栅极电压,但应用板使用外部导线将栅极和漏极接在一起(参见图3)。对于9cm x 3cm封装中从输入RC滤波器到最终输出匹配电容的功率水平来说,该同相匹配网络相当紧凑。应用板的总体尺寸为11.3mm x 9.7mm。

针对1.0至1.1GHz频段应用,QPD1025提供目前可用的最佳功率、效率和增益组合。其双通道设计提供可控阻抗、灵活的放大器架构和小巧尺寸。QPD1025设计以稳定性、坚固耐用性和可靠性作为首要考虑因素,只要符合功耗限值要求,就可以处理所有信号条件。


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