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| LDMOS射频晶体管满足2.5G和3G蜂窝基站的新挑战 |
| LDMOS RF Power Transistors Address New Challenges in
2.5G and 3G Cellular Basestations |
| ■ 杰尔系统（Agere） 射频系统工程师Steve Jones |
运行在869MHz-2.17GHz频段内的蜂窝无线基站是射频功率晶体管如今最大的市场。其中，基于硅的LDMOS器件被广泛使用于500MHz-2.5GHz之间的射频功率放大器应用当中。作为增强模式的N沟道MOSFET，LDMOS器件(LD代表侧面扩散，描述了器件的沟道结构)专门被设计成为具有高的工作电压(长沟道)和低寄生电容，从而能在高频下工作。在早期的蜂窝无线系统中，其它的功率晶体管技术如基于硅的双极晶体管和GaAs
MOSFET在相互竞争。而现在基于硅的LDMOS已经崛起，并将在今后的蜂窝基站应用中取代其他技术成为市场主流。
针对蜂窝基站应用的大功率LDMOS器件，最早出现于6年前。在那之后的短时间内，这一技术曾具有领先优势。现在，最新的LDMOS器件在性能上已有了相当大的改进。而这种性能的改进主要是在下一代的2.5G和3G无线网络的需求驱动下进行的，因为它们已经对放大器的设计者们提出了一些重要的新挑战。
GSM基站功率放大器
一个典型的GSM(2G)宏蜂窝基站内包含了大量分立的收发器，每一个收发器都运行于不同的频率或载波。例如，一个典型的老式基站柜可包含6到8个收发器，而最新一代的宏蜂窝最多能包含12个收发器。针对欧洲网络应用的基站需要包含既能在900MHz运行的收发器，又要包含运行于1800MHz频段的收发器。由于每个收发器都有自己的功率放大器，因此放大器放大的只是单一的载波信号。近年来设计的放大器已能在900MHz产生40W功率输出、而在1800MHz时产生30W的功率输出。市场上不断涌现的新型蜂窝基站需要具有更高输出功率的功率放大器，从而使蜂窝能覆盖更大的面积，同时能减小基站的布局密度。
GSM采用的高斯最小频移键控(GMSK)调制方式是一种恒定包络调制技术。调制的信号也包括了未指定的振幅变量。这种调制技术允许采用具有极高效率的非线性功率放大器。功率放大级可以进入压缩状态，但在实际中却很少发生，因为放大器已被设计成具有充分的冗余量，来适应由供应电压容差、温度和其它变量引起的各种变动。通常会采用一个功率控制回路来保持及控制放大器的输出功率。典型的900MHz
GSM功率放大器具有的总增益大约为46dB，包含了三级放大。最后两级是具有典型输出功率为10W和70W的LDMOS功率FET。输出隔离器和功率耦合器上的损耗，加上制造需要的偏差，意味着要保证输出功率达到40W，末级的输出功率必须要远远超过正常值。DCS1800就是一个简单的放大器配置，在一个30W的放大器中采用了末级为60W的器件。在这样的放大器中，除了末级晶体管，现有的功率IC和各种混合器件能够取代其它所有的器件。可是，这些器件的效率却比较低。
EDGE对放大器提出了新的要求
GSM/EDGE 2.5G无线网络的建设已经展开，EDGE也对功率放大器的设计者提出了一系列新的挑战。在与GSM同样的信道带宽(200kHz)中，EDGE要求数据的传输速度为GSM的三倍。这一点可以通过采用截然不同的、具有更高带宽效率的3
/8偏移8PSK调制技术来实现。与GMSK不同，这种调制技术不具有恒定包络。尽管3 /8的偏移使信号包络在任何时候都不会崩塌为零，仍然会出现大量的幅度变化，信号的峰均值(PAR)大约为3.2dB。
EDGE已不再采用非线性功率放大器。源于功率放大器运行于压缩模式时产生的信号幅度部分的失真，会产生两个无法容忍的现象。首先，频谱的再增长会导致信号的频谱被拓宽。从而会导致信号达不到预期的调制结果，这是GSM标准为防止对邻近信号产生干扰而设定的要求之一。
第二个现象是调制星座图会有轻微失真。这是因为接收端信噪比的降低，会得到比较差的误码率(BER)。GSM标准再次限制了可以扭曲的星座图的数量。通过定义一个误差向量值(EVM)，限制了传输信号和理想信号之间的量级与差值。EDGE允许的最大EVM是星座幅度RMS的8%。实际上，功率放大前的调制器和其它发射级的不理想，会消耗大量的EVM空间。典型情况下，功率放大器允许的最大EVM为2-2.5%。
某些第一代EDGE技术在设计基站时，采用了将已有GSM放大器的功耗补偿约3dB的方法。这一方法得到的EDGE信号的功率为15W(1800MHz)和20W(900MHz)。此方法显然达不到理想效果，因为可用的蜂窝单元的大小被大大缩小了。目前正在重新设计的功率放大器已经能够为EDGE信号提供典型值为45-50W(900MHz)和30-35W(1800MHz)的功率，而且具有更高功率的放大器也在设计考虑当中。此外，放大器的效率也同样重要。高功率的放大器由于采用了补偿技术，从而降低了整体效率，产生的热损耗也更多。要驱散掉这些额外的热损耗，就不得不增加冷却成本和网络运营商的运营开支。
为达到EDGE的线性要求，简单的功率放大器补偿技术依然实用，然而类似于笛卡尔反馈之类的线性化技术仍然被限制使用。最新一代LDMOS器件，在标称值P1dB以下时，其输出功率低于3dB，因此能够被满足GSM的线性要求；为了得到50W的EDGE放大器，一个典型的末级放大器可以采用一对60W晶体管，也可采用单个的120或125W晶体管。在为GSM设计放大器时，成本是另一个非常重要的因素。复杂的线性化技术的成本太高，也与现存的基站架构不相容。
3G带来了更大的挑战
3G蜂窝无线网络采用了宽带CDMA技术。这一调制技术产生的信号具有相当大的振幅变量，同时峰均值(PAR)也很高(>10dB)。另外，其基站架构可使多个射频载波(如UMTS最多可达4个载波，每一个都在5MHz信道)集结在一起，并通过一个公共的功率放大器进行放大。这将进一步增加峰均值。然而由于波峰出现的概率很小，信号被有意省略以减小到能够处理的水平。同样，UMTS标准也设定了许多限制措施，严格限制了调制频谱和EVM。功率放大器的线性度此刻成为一个主要问题。简单的放大器补偿技术已经不再可能满足新的要求：也就是说，除了补偿技术外，复杂的线性化技术如自适应前向反馈线性化、或者自适应的预失真都非常必要。典型UMTS功率放大器的平均输出功率约为40W，但放大器的峰值功率能超过400W。放大器效率同样也非常低，小于20%。
LDMOS应对挑战
2.5G和3G无线基站都要求放大器具有更高的线性度和足够的效率，以有效控制设备的冷却成本和运营开支。LDMOS技术可以坦然面对这些挑战，能满足所有这些要求的产品也已经出现。UMTS的频率(2.11-2.17GHz)也推动着技术的发展。硅物理的本质决定了LDMOS器件的转换频率，即fT的典型值要低于3GHz。为了改善LDMOS功率晶体管的射频性能，器件的几何外形已逐渐缩小，从几年前的0.8mm缩小到现在的0.6mm，甚至更小。高崩溃电压(>65V)要求更低的限制沟道长度。门的长度对射频性能参数有着直接影响，体积更小的器件具有更低的寄生参数，在高频下能得到更高的增益。器件的功率增益也在稳步上升。两年前，100W器件在2.1GHz时还只能实现12dB的增益，而最新一代的器件在同样频率下的增益超过14dB。另外，在900MHz时，70W的功率器件能产生将近20dB的功率增益。在功率级具有更高的增益，意味着驱动极可以由更低的功率所驱动，因此在效率上也有更佳的表现。由于LDMOS器件还减小了导通电阻(即沟道导通情况下的有效阻抗)，功率级自身的效率也得到了明显的改善。
新型工艺技术产生更好的LDMOS器件
前几代LDMOS晶体管采用了各种方法，来得到贯穿于晶体管的外延层、到达晶体管裸片背面的源极触点。一种技术是离子注入法，直接在顶层源极触点的下面形成高度掺杂的p+硅扩散。这种方法拓宽了源极触点，从而降低了阻抗，也限制了外延层的厚度。而针对LDMOS射频功率晶体管的一种创新性方法则采用了沟道式源极触点架构。与离子注入法不同的是，蚀刻的沟道贯穿了外延层，随后填满具有低电阻系数的多晶硅。这种方法允许使用厚膜外延层，可减少器件的寄生电容和整体面积，适合于制造更高功率密度的器件。
热阻抗是器件的关键参数
对设计者而言，LDMOS器件的热阻抗是另一项非常重要的参数。器件上大量的热损耗必须被快速驱散，如果想保证长期的可靠性，还必须控制器件结点温度。器件结点温度最高不能超过150
C。放大器的散热片或外壳的温度达到100 C是很常见的。对典型的在2.1GHz时具有125W的功率放大器，期间结点与外壳之间的热阻抗需要接近0.5
C/W。器件结点的热传导路径直接通过从硅片到封装边缘。要想降低热阻抗，硅片越薄越好。通常采用的是机械研磨方式来将晶圆磨薄，而近年来通过这种方式得到的厚度约为100mm。在半导体工艺技术的最新突破下所制造出的全球领先的晶体管，其裸片厚度已只有40mm。这极大改善了器件的热阻抗，因此晶体管封装边缘的热传导率开始成为整个器件热阻抗的重要组成部分。
结论
LDMOS射频功率器件正在逐步发展，以满足下一代无线通信网络需求带来的各种挑战，并将在未来几年内继续成为放大器设计者的技术选择之一。最新一代的LDMOS器件在增益、线性度和效率等所有的关键参数方面都有了明显的改进，能帮助设计者为新的蜂窝无线标准开发最新一代的功率放大器。毫无疑问，LDMOS技术将提供更多的先进性能。通过半导体技术的不断创新，LDMOS器件的性能也将得到不断的提升。
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