臺灣博碩士論文加值系統

在目前的無線通訊產業，隨著電腦與行動裝置的普及化，無線網路硬體的發展已經開始往追求更快的傳輸速度與追求更遠的傳輸距離這兩個大方向在邁進。為符合其無線通訊系統的要求，其電路中的主動元件必須具備有良好的高頻特性及高功率輸出等特性，而Ⅲ-Ⅴ族的微波元件，如異質接面雙極性電晶體及高速電子遷移率電晶體，其特點正符合了無線通訊系統的要求。異質接面雙極性電晶體具有高功率、線性度佳、高截止頻率和低損耗功率等優點，本文是使用宏捷科技所提供的砷化鎵製程所設計的高頻功率放大器電路，目標應用於IEEE802.11b/g/n之高功率的功率放大器，除了探討理論與電路之設計概念，且使用不同的佈局技巧來減少晶片的佈局面積，一方面可以達到高功率放大器需求，另一方面則可以大量節少佈局面積來節省成本。
論文中所設計之高功率功率放大器電路，採用AB類放大器設計。其頻寬皆符合IEEE 802.11b/g/n之相關規範，在2.4~2.5GHz之WiFi 802.11b的應用有32dBm的功率輸出，在WiFi 802.11g/n的應用有28dBm的功率輸出。此外在Femtocell的WCDMA 2110~2170MHz頻段中有26dBm高功率輸出的表現。在Femtocell DCS 1805~1880MHz有24dBm的功率輸出，在Femtocell TD-SCDMA 1880~1920MHz有24dBm的功率輸出，在Femtocell PCS 1930~1990MHz有25dBm的功率輸出，在Femtocell TD-SCDMA 2010~2025MHz有25dBm的功率輸出。為高線性度、高輸出功率與高工作頻寬的功率放大器提出了驗證。

In nowadays Wireless communications industry, the development of WLAN hardware is heading to major ways: “Faster transmission speed and, longer transmission distance”.
There are many versions/ protocols for IEEE 802.11 series standard, such as IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, and IEEE 802.11ac. In accordance with the requirement of these wireless communications system, the Integrated Circuit (IC) must provide excellent linearity under high-frequency & high output power. Based on this criterion, the elements of Ⅲ-Ⅴgroup’s microwave components, for example, Bipolar HBT and PHEMT just can meet the ideal wireless communications system’s requirement. HBT offers the advantages of high output power, good linearity, high cutoff frequency and low power-consumption. My Thesis adopts GaAs process of AWSC Foundry’s high-frequency power amplifier circuit and aim to the applications of IEEE802.11b/g/n PA. Beside to discover the RF theory and circuit design concept, I also use diversified layout techniques to eliminate wafer die-size. By these methods I can achieve of high power-output requirement as well as decrease more layout dimension, thus, save the total cost.
In summary, by this research of my Thesis, my design of high-power PA circuit complies IEEE 802.11b/g/n bandwidth regulation, which can generate 32dBm Pout at 2.4~2.5GHz by WiFi 802.11b modulation or 28dBm Pout by WiFi 802.11g/n modulation. And at Femtocell application, that can get 26dBm Pout at 2110~2170MHz, 24dBm Pout at 1805~1880MHz, 24dBm Pout at 1880~1920MHz, 25dBm Pout at 1930~1990MH, and 25dBm Pout at 2010~2025MHz.

目 錄

中文摘要 i
英文摘要 iii
誌謝 iv
目錄 v
圖目錄 vii
表目錄 x
第一章 異質接面雙極性電晶體介紹 1
1.1 HBT的基礎簡介 1
1.2 異質接面形成機制 4
1.3 異質接面雙極性電晶體之結構 6
1.4 異質接面雙極性電晶體之比較 7
第二章 微波網路基本理論 9
2.1 S參數 9
2.1.1 S參數簡介 9
2.1.2 S參數定義 9
2.2 增益 11
2.2.1 功率轉移增益 11
2.2.2 可用功率增益 14
2.4.3 操作功率增益 14
2.3 雜訊 15
2.4 失真 17
2.4.1 1dB功率壓縮點 17
2.5 效率 18
2.6 直流偏壓 19
第三章 射頻功率放大器設計基礎理論 20
3.1 功率放大器之概述 20
3.2 功率放大器之分類 20
3.3 克里普斯負載線法 21
3.4 負載拉動調整法 30
第四章 功率放大器設計與模擬 32
4.1 功率放大器鏈路預算 32
4.2 功率放大器電路模擬 33
4.3 電路模擬結果 34
4.4 晶片佈局 37
4.5 傳輸線架構介紹 42
4.6 印刷式電路板佈局 45
第五章 功率放大器量測與分析 48
5.1 功率放大器在晶片上的驗證結果與量測 48
5.2 模擬與晶片驗證結果之比較 51
5.3 功率放大器封裝後驗證結果與量測 52
5.4 晶片與封裝後小訊號之比較 56
5.5 晶片與封裝後量測結果之比較 57
5.6 封裝後高功率之量測結果 60
5.7 封裝後多頻段操作之驗證與量測結果 63
第六章 結論與未來展望 69
參考文獻 70



圖目錄

圖1.1 異質接面雙極性電晶體結構剖面圖。 2
圖1.2 HBT能階示意圖。 2
圖1.3 兩獨立半導體之能階圖。 5
圖1.4 熱平衡狀態下理想n-p異質接面能階圖。 5
圖1.5 異質接面雙極性電晶體結構圖。 6
圖1.6 異質接面雙極性電晶體能帶圖。 6
圖1.7 同質接面與異質接面雙極性電晶體的關係。 7
圖2.1 功率訊號示意圖。 11
圖2.2 微波放大器雜訊模型。 15
圖2.3 功率放大器輸出功率與輸入功率特性關係圖。 18
圖2.4 (a)固定偏壓電路，(b)自給偏壓電路，(c)雙正電源偏壓電路。 19
圖3.1 電晶體I-V curve及最佳負載線示意圖。 22
圖3.2 不同負載阻抗之下的負載線圖。 23
圖3.3 電感性負載之輸出電壓電流。 24
圖3.4 電容性負載之輸出電壓電流。 24
圖3.5 低阻抗負載串聯電抗性元件所形成之等功率圓。 25
圖3.6 在訊號不失真下，低阻抗負載串聯電抗性元件所形成之等功率弧。 26
圖3.7 高阻抗負載並聯電抗性元件所形成之等功率圓。 27
圖3.8 在訊號不失真下，高阻抗負載並聯電抗性元件所形成之等功率弧。 28
圖3.9 等功率曲線。 28
圖3.10 未封裝電晶體與封裝打線的觀察接面。 29
圖3.11 寄生效應對等功率曲線產生之影響。 29
圖3.12 ADS模擬負載調整之電路圖及等功率輸出與等效率圓。 31
圖4.1 三級功率放大器之架構。 32
圖4.2 2.4GHz功率放大器模擬電路。 33
圖4.3 輸入P1dB模擬結果。 34
圖4.4 輸出P1dB模擬結果。 35
圖4.5 Icc消耗電流模擬結果。 35
圖4.6 PAE模擬結果。 36
圖4.7 小訊號增益模擬結果。 36
圖4.8 電感Q值模擬結果。 37
圖4.9 1B2E與2B1E在不同VBE電壓時電流增益變化。 39
圖4.10 標準電晶體模型佈局圖。 40
圖4.11 精簡電晶體模型佈局圖。 40
圖4.12 修改後電晶體模型佈局圖。 40
圖4.13 功率放大器晶片佈局圖。 41
圖4.14 晶片打線實體圖。 41
圖4.15 夾心帶線。 42
圖4.16 微帶線。 43
圖4.17 溝槽線。 43
圖4.18 共平面波導。 43
圖4.19 疊構剖面圖。 45
圖4.20 PCB電路板佈局圖。 46
圖4.21 PCB電路板實體圖。 46
圖4.22 晶片在PCB電路板上匹配完成後之實體圖。 47
圖4.23 IC在PCB電路板上匹配完成後之實體圖。 47
圖5.1 輸出功率與EVM的比較。 48
圖5.2 輸出功率與Icc的比較。 49
圖5.3 輸出功率與PAE的比較。 49
圖5.4 S參數測結果。 50
圖5.5 驗證封裝後輸出功率與EVM比較。 53
圖5.6 驗證封裝後輸出功率與Icc比較。 53
圖5.7 驗證封裝後輸出功率與PAE比較。 54
圖5.8 驗證封裝後S參數量測結果。 54
圖5.9 晶片與封裝後之S11比較。 56
圖5.10 晶片與封裝後之S22比較。 56
圖5.11 晶片與封裝後之S21比較。 57
圖5.12 晶片與封裝後之輸出功率與EVM比較。 57
圖5.13 晶片與封裝後之輸出功率與Icc比較。 58
圖5.14 晶片與封裝後之輸出功率與PAE比較。 58
圖5.15 Vcc=5V輸出功率與EVM比較。 60
圖5.16 Vcc=5V輸出功率與Icc比較。 61
圖5.17 Vcc=5V輸出功率與PAE比較。 61
圖5.18 Vcc=5V之S參數。 63



表目錄

表1.1 電晶體特性比較表。 8
表4.1 放大器鏈路預算的規劃。 33
表4.2 放大器電晶體數量的預估。 33
表4.3 1B2E的集極電流。 38
表4.4 2B1E的集極電流。 38
表4.5 常用傳輸線特性比較。 44
表5.1 晶片驗證之測試結果。 51
表5.2 模擬與晶片量測結果之比較。 52
表5.3 封裝後測試結果之整理。 55
表5.4 晶片與封裝兩個IC之結果比較。 59
表5.5 Vcc=5.0V之測試結果。 62
表5.6 在WCDMA調變之下的測試結果。 64
表5.7 與市售功率放大器之比較。 65
表5.8 在不同通訊系統調變之下的測試結果。 66
表5.9 與商用三頻femtocell的比較。 67
表5.10 飛思卡爾與本晶片在小訊號、大訊號的比較。 67
表5.11 各種通訊系統調變之下的線性輸出功率。 68

參考文獻

[1].F. Fiedler, K. Mause, G. Pitz, D. Fritzsche, E. Kuphal, and H. Krautle, “InP Based HBTs –Technology Performance and Application.” in Proc.4th Int. Conf. On InP and Rel Mater., pp. 404-409, 1992.
[2].D. Ritter, R. A. Hamm, A. Feygenson, H. Temkin, and M. B. Panish S. Chandrasekhar, “Bistable Hot Electrons Transport in InGaAs/InP Composite Collector Heterojunction Bipolar Transistors,” IEEE Applied Physics Letters, vol. 61, pp. 70-72, Jul. 1992.
[3].Jongchan Kang, Daekyu Yu, Youngoo Yang, and Bumman Kim, “Highly Linear 0.18-μm CMOS Power Amplifier With Deep n-Well Structure,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. No. 5, pp. 1073-1080, May 2006.
[4].M. W. Dvorak, C. R. Bolognesi, O. J. Pitts, and S. P. Watkins, “300GHz InP/GaAsSb/InP DHBTs with high current capability and BVCEO ≥ 6V,” IEEE electron device letter, vol. 22 , no. 8, pp. 361-363, Aug. 2004
[5].S. M. Sze, Semiconductor devices physics and technology-second edition, John Wiley & Sons, New York, pp.124-126, Mar. 2008.
[6].M. F. Chang, Current trends in heterojunction bipolar transistors, World Scientific, New York, pp.94-106, Aug. 2006.
[7].YunSeong Eo and KwangDu Lee, “High Efficiency 5 GHz CMOS Power Amplifier with Adaptive Bias Control Circuit,” IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, pp. 575-578, 2004.
[8].Guillermo Gonzaley, Microwave Transistor Amplifiers analysis and Design second edition, Prentice Hall, Sydney, pp. 99-103, May, 2006.
[9].呂學士編著，微波通訊半導體電路，全華科技圖書公司，台北，03，2011，第34-40頁。
[10].D. K. Shaeffer and T. H. Lee, “A Fully Integrated 2.45 GHz 0.25-μm CMOS Power Amplifier,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 32, no. 5, pp. 745-759, May. 2004.
[11].A. Ismail and A. A. Abidi, “A 3-10-GHz low-noise amplifier with wideband LC-ladder matching network,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, no. 12, pp. 2269-2277, Dec. 2004.
[12].K. J. Sun, Z. M. Tsai, K. Y. Lin, and H. Wang, “A noise optimization formulation for CMOS low-noise amplifiers with on-chip low-Q inductors,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 54, no. 4, pp. 1554-1560, Apr. 2006.
[13].L. Nenert, “Analysis and optimization of noise and gain performances for various topologies of microwave ring resonator planar active filters,” in Proc. Microwave Symposium Digest, Anaheim, Dec. 2004, pp. 646-650.
[14].袁杰編著，無線電高頻電路，全華科技圖書公司，台北，09，2004，第36-78頁。
[15].賈志靜編著，高頻電路分析與設計，全華科技圖書公司，台北，01，2009，第22-32頁。
[16].G. Gonzalez, Microwave Transistor Amplifiers: analysis and design-second edition, Prentic Hall, New York, pp. 61-76, Aug. 2006.
[17].黃進芳編著，微波工程，五南圖書，台灣，01，2005，第55-89頁。
[18].S. C. Cripps, RF Power Amplifier for Wireless Communications-2nd edition, Boston, Artech House, pp.21-27, May. 2006.
[19].Kun-Yi Lin, Ro-Min Weng, Chih-Lung Hsiao, and Hung-Che Wei, “A 1V 2.4 GHz CMOS Power Amplifier With Integrated Diode Linearizer,” IEEE Asia-Pacific Conference on Circuits and Systems, pp. 109-111, December, 2004.
[20].L. William, Handbook of III-V Hetero-Junction Bipolar Transistor-2nd edition, JOHN WILLY & SONS, New York, pp.819-830, Apr. 2005.
[21].Y. S. Lee and C.S. Park, “Amplifier performance of dual emitter HBT for MMIC power amplifier applications,” RAWCON2010, Boston, Aug. 2010.
[22].Y. S. Lee and C.S. Park, “Structural optimization of InGaP/GaAs HBT for power amplifier applications,” RAWCON2010, Boston, Aug. 2010.
[23].Palumbo, F., Faigon, A., Curro, G., “Electrical Correlation of Double-Diffused Metal–Oxide–Semiconductor Transistors Exposed to Gamma Photons, Protons, and Hot Carriers,” IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, vol. 58, no. 5, May. 2011.