HF-Leistungsverstärker in modernen Silizium- und Verbindungshalbleitern-Technologien

Kurzbeschreibung Diese Dissertation beschäftigt sich mit HF-Leistungsverstärkern auf Basis moderner Transistortechnologien und verfolgt aktuelle Trends im Bereich Silizium- und III-V-Verbindungshalbleiter. Dies umfasst den Entwurf von innovativen HF-Leistungstransistoren und -Verstärkern, Aspekte zur Charakterisierung und Aufbautechnik sowie den Vergleich zum aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik. Im ersten Teil richtet sich der Fokus auf MMIC-Leistungsverstärker für 5-6-GHz-WLAN-Anwendungen. Hierbei wird zunächst auf den Entwurf eines Push-Pull-PAs in einer 0.25-μm-BiCMOS-Technologie eingegangen. Mit einer Betriebsspannung von lediglich 1.8 V zeigt dieser Verstärker ein breitbandiges Verhalten und erreicht im Frequenzbereich 5−6.2 GHz eine Sättigungsleistung von > 24 dBm. Der maximale Wirkungsgrad liegt bei η = 27 % (PAE = 18 %) mit einer Verstärkung von typischerweise 9 dB. Um diese Performance weiter zu verbessern, wird eine innovative Transformer-Combining-Topologie vorgestellt. Im Vergleich zum Push-Pull-Verstärker kann diese eine erhöhte Verstärkung > 12 dB sowie einen exzellenten PAE-Maximalwert von 23 % bei sonst ähnlichen Eigenschaften erzielen. Als zweite Zielstellung wird die Steigerung der HF-Leistungs-Performance innerhalb moderner (Bi)CMOS-Technologien verfolgt. In diesem Rahmen stehen die Analyse, der Entwurf und die Evaluierung von LDMOS-Transistoren für Anwendungen bis in den 6-GHz-Bereich im Mittelpunkt. Der Einfluss von Transistorgröße und -Geometrie sowie auch der Stabilitätsnetzwerke wird unter Verwendung HF-optimierter LDMOS-Strukturen untersucht. Die Evaluierung der Source/Load-Load-Pull-Messungen wird mit Hilfe mehrerer hybrider Verstärkermodule durchgeführt. Als eine der ersten Veröffentlichungen kann diese Arbeit eine 6-GHz-LDMOS-Implementation in einer Standard-BiCMOS-Technologie mit einer Ausgangsleistung von mehr als 1 W und einem Wirkungsgrad über 40 % demonstrieren. Der dritte Teil beschäftigt sich mit GaN-Doherty-Verstärkern für das 6-GHz-Band. Die Kombination von Doherty-Konzept mit Strategien zur Harmonischen-Terminierung, einem auf Device-Referenzebene optimierten Entwurf und der entwickelten Chip-&-Wire-Aufbautechnik erlaubt die Realisierung von einem der ersten 6-GHz-Doherty-Verstärker mit exzellenter Wirkungsgrad-, Leistungs- sowie Linearitäts-Performance. Unter Verwendung zweier GaN-Chip-Transistoren kann eine maximale Ausgangsleistung von 41.5 dBm mit einem maximalen Wirkungsgrad von 63 % erreicht werden. Im 6-dB-Backoff-Punkt wird dabei ein exzellenter Wirkungsgrad von 49 % erzielt. Description This work focuses on RF power amplifiers based on modern transistor technologies and investigates current trends in silicon- as well as III-V-semiconductors. This includes the design of innovative RF power devices and amplifiers, characterization and assembling techniques as well as the comparison to other state-of-the-art achievements. The first part focuses on MMIC power amplifiers for WLAN applications in the 5-6-GHz range. Based on a 0.25 μm BiCMOS technology, a low voltage push-pull power amplifier using integrated transformers is presented. At a supply voltage of 1.8 V, this fully integrated amplifier achieves a wideband performance showing a maximum output power of > 24 dBm across 5−6.2 GHz. A maximum efficiency of η = 27 % (PAE = 18 %) is obtained with a small signal gain of typically 9 dB. To further improve this performance, an innovative transformer combining topology is developed. Compared to the push-pull amplifier, this topology achieves an increased gain of > 12 dB and an enhanced maximum PAE of up to 23 % with otherwise similar characteristics showing state-of-the-art performance. The RF power enhancement of (Bi)CMOS technologies is a second major aim of this work. In this context, the analysis, design and evaluation of medium voltage LDMOS FETs for wireless applications up to 6 GHz is presented. Using RF optimized NLDMOS transistors, power devices of different sizes were fabricated in a standard 0.25 μm BiCMOS technology. The influences of the finger geometry and the stabilization networks on the RF performance are studied. Power evaluation of the LDMOS transistors is carried out by means of hybrid power amplifier modules. As one of the first contributions, this work shows a 6 GHz LDMOS implementation in a standard BiCMOS technology that achieves an output power of greater than 1 W with a drain efficiency of more than 40 %. In the third part, a harmonically tuned GaN Doherty amplifier targeted for vehicular applications at 6 GHz is presented. The combination of the Doherty concept with harmonic tuning strategies, an optimized design approach and the developed chip-&-wire assembly technology results in one of the first Doherty amplifiers implemented for the 6 GHz frequency range with excellent efficiency, output power and linearity performance. Using two bare-die GaN devices, a maximum output power of 41.5 dBm with 63% peak drain efficiency is obtained. At 6 dB output power back-off an excellent drain efficiency of still 49 % can be achieved.