吴锦帆（电子科技大学电子科学与工程学院 四川 成都 610054）
摘 要：本文介绍了一种经过改善LDMOS的器材结构，进步以LDMOS树立的功率扩大器的功率附加功率大信号方针的办法。在器材仿真环境中，经过对LDMOS的漂移区进行结构优化，进步器材的小信号增益，然后运用器材等效建模技能，在电路仿真环境中，树立出功率扩大器进行大信号仿真，在相同的作业条件下功率附加功率进步了约5%左右。
关键词：LDMOS；功率扩大器；功率附加功率
0 导言
横向双扩散金属氧化物半导体场效应管（RFLDMOS）作为一种应用在射频扩大器电路中的晶体管，最能体现出其功能的器材参数有输出功率，漏极功率，功率增益等，进步器材的这些参数一向以来是RFLDMOS研究者们的尽力的方向，而跟着射频终端数量的添加，用户对数据传输速率和容量的要求越来越高，射频电路一向有着向高频率高功率的趋势开展 [1] 。功率附加功率作为射频功率扩大器的大信号方针之一，射频功率扩大器具有较高的功率附加功率意味着体系需求更小的直流功率供应就能够发生较大的输出功率用于RF信号源的扩大。一起也意味着器材在作业的过程中，因为晶体管本身的热阻所发生的热耗费将下降，器材的作业寿数也会相应得延伸 [2] 。因而，功率附加功率的进步不只意味着输出功率的进步，一起也延伸了器材的作业寿数。
针对上述问题，本文提出了一种依据LDMOS器材结构优化的计划，经过大信号与小信号等效模型进行建模的办法，进步以LDMOS作为功率晶体管的射频功率扩大器的功率附加功率。文章第2节首要描绘该办法的作业原理及流程；第3节给出LDMOS器材结构优化计划；第4节给出等效模型建模办法；第5节给出功率扩大器仿真成果。
1 功率附加功率进步办法原理
如图1所示，功率附加功率方针进步的办法首要分为两个阶段，功率器材结构规划阶段与射频功率扩大器规划阶段。在功率器材规划阶段，运用半导体工艺模仿以及器材模仿东西（TCAD）仿真软件进行器材仿真模型的树立，其间在完结实践工艺与仿真软件参数的校准之后，完结功率器材结构的建模以及器材电学特性的仿真，取得器材的大信号直流特性以及沟通小信号特性。以器材的直流特性与沟通特性作为衔接电路仿真与器材仿真的桥梁，经过树立电学特性等效模型，到达在射频电路仿真环境中功率器材的等效复原的意图。在射频功率扩大器规划阶段，运用电路仿真软件，完结射频功率扩大器的树立以及大信号方针的仿真，经过调整电学特性等效模型完结功率扩大器大信号方针的优化，并依据电学特性的优化方针辅导器材结构规划的优化，终究完结射频功率扩大器的功率附加功率的进步。
2 功率器材结构规划与优化
LDMOS根本结构如图2所示，首要由P_sinker，源极(Source)，栅极(Gate)，横向漂移区(LDD)，漏极(Drain)几个部分组成，其间经过高能离子注入构成P_sinker将器材的源极与衬底进行了衔接，经过反面减薄和背金工艺构成了反面源电极，减少了电极的数量以及衬底与源极的键合连线，下降了寄生的电感与电容，LDD的存在运用RESURF外表电场的原理进步了LDMOS的击穿电压，确保了器材能够在高压RF的用处。而本文中经过将LDD区进行水平分层，分为LDD1,LDD2，其间LDD1为相对低浓度的n掺杂，LDD2保持与本来结构相同的n掺杂浓度，确保了击穿电压与器材导通电阻的不变。低掺杂LDD1的存在下降了右侧沟道与LDD区接壤的pn结扩散电容 C gd 改善了器材的小信号特性。在相同的偏置电流I ds =0.18 A，中心频率为f = 450 MHz,运用右侧的新结构比较原先结构的S21进步了约12%。
3 功率器材等效模型的树立
电学特性等效模型如图3所示，其间，小信号等效模型和大信号等效模型结构是共同的，两者不同的当地在于，大信号等效模型的本征部分是时变的，即虚线框内的本征部分遭到端口电压的改动而改动，而小信号的等效模型在固定的偏置点和作业频率下是稳定的。
该模型首要分为两部分，其间虚线框内的部分为器材的本征部分，受器材的偏置和作业频率的改动而改动，器材的大信号直流模型表现为一个压控流源，而小信号模型表现为一个恒流源。虚线框外的为器材的寄生参数部分，首要为器材进行封装时发生的电阻和电感以及PAD对地耦合发生的寄生电容，寄生参数部分对偏置和作业频率不灵敏 [3] 。
器材的大信号非线性直流特性一般选用非线性经历模型来建模，非线性经历模型是以试验测验数据为根底，经过拟合I-V特性曲线的数据来确认经历模型中公式所需求的参数。将RFLDMOS典型的搬运特性曲线，分为四个区：截止区、二次区、线性区和电流紧缩区 [4] 。
在截止区，RFLDMOS器材的漏极电流随栅极电压呈指数改动，此刻的漏极电流有如下方式：
当栅极电压逐步增大，LDMOS器材进入二次区，此刻的器材跨导随栅极电压线性添加，漏极电流与栅极电压的平方呈正比。从LDMOS器材的到区过渡到二次区漏极电流可统一表明为
V st 表征器材敞开的峻峭程度，V t 为LDMOS的阈值电压， V st 和β的数值依据LDMOS的测验数据进行拟合得到 [5] 。
RFLDMOS的线性区电流表达式为
在LDMOS电流紧缩区，因为跨导的下降，漏极电流不再随栅极电压添加而线性添加，饱满区电流公式如下所示：
结合公式（1）~（7），在MATLAB东西中对器材的测验曲线进行了拟合，拟合成果如图4所示，模型能够较好地拟合器材的直流特性。
在ADS仿真软件中树立小信号等效模型，拟合成果如图5所示，小信号模型计算成果与测验数据成果拟合程度杰出，该小信号模型根本能够表征实践器材的端口特性。
4 功率扩大器仿真成果与剖析
在ADS电路仿真中，将树立好的LDMOS器材模型进行输入输出匹配，完结功率扩大器的树立，并进行大信号仿真。成果如图6所示，经过器材结构的优化，当小信号模型中的 C gd 下降12%，在相同的匹配电路以及作业偏置条件下，能够完结Pout与PAE的全体进步其间，改善后的PAE比较于本来进步5%左右，Pout进步约1 dBm左右。
5 定论
跟着射频终端数量的添加，射频电路一向有着向高频率高功率的趋势开展。在射频功率扩大器电路中，功率晶体管作为扩大器的中心元件，其端口阻抗及寄生参数不只影响着扩大电路的端口阻抗，电学参数特性的改动不只会对匹配状况形成改动，也会对功率附件功率、功率增益等大信号特性形成影响。本文介绍了一种经过改善LDMOS器材结构，进步以LDMOS为功率晶体管的功率扩大器的功率附加功率的办法，经过对LDMOS器材结构进行优化完结了扩大器功率附加功率的进步。
参考文献：
[1] Vestling L . Design and Modeling of High-FrequencyLDMOS Transistors[D]. Uppsala:Uppsala University,2002.
[2] 冯曦. 射频功率LDMOS器材规划[D]. 北京:清华大学, 2006.
[3] Raab F H, Asbeck P, Cripp S, et al. Power amplifiersand transmitters for RF and microwave [J]. IEEE T MicrowTheory, 2002, 50 (3): 814-826.
[4] Raffo A , Scappaviva F , Vannini G . A New Approachto Microwave Power Amplifier Design Based on theExperimental Characterization of the Intrinsic Electron-Device Load Line[J]. IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques, 2009, 57(7):1743-1752.
[5] Bosi G , Raffo A , Trevisan F , et al. Nonlinear-embedding design methodology oriented to LDMOS poweramplifiers[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2017:1-1.
（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第06期第xx页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。）
