Micro-System: Gallium Nitride RF-Broad-Band High-Power Amplifier

151 Pages·2015·7.05 MB·English

Micro-System: Gallium Nitride
RF-Broad-Band High-Power Amplifier
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
an der Technischen Fakultät
der Albert-Ludwigs Universität Freiburg im Breisgau
vorgelegt von
Dipl.-Ing.(FH) Markus Mußer
Juli 2014
Dekan: Prof. Dr.-Ing. Yiannos Manoli
Referent: Prof. Dr. rer. nat. Oliver Ambacher
Koreferent: Prof. Dr.-Ing. Yiannos Manoli
Datum der Prüfung: 19.02.2015
Abstract
Due to the increased demand of higher date rate transfer and therefore bandwidth, the
development of new solutions for broad-band RF Power Amplifiers (PAs) for mobile com-
munications has become more and more interesting in recent years. Such broad-band PAs
can be used in a very flexible way as they are independent of the mobile communication
standard and the used frequency bands. The new solutions based on the power amplifier
architectures have to be accompanied by emerging concepts on device level in terms of
technology and semiconductor process. Power FETs based on GaN-technology offer many
advantages for the development of these broad-band RF power amplifiers such as robust-
ness, highbreakdownvoltagesandpowerdensity. Inthisthesis, broad-bandRFPAsbased
on GaN-technology in the frequency range up to 6GHz with an output power of 100W
will be investigated. The power FETs will be analyzed and optimized in terms of stability,
efficiency, gain, and output power.
In the beginning of this thesis the theoretical requirement of a broad-band RF high power
amplifier will be investigated. First, the theoretical limitation of the bandwidth is inves-
tigated and it will be shown that two principle limitations exists. On the one hand, the
bode-fano criterion which describes the theoretical limit of transformation of a complex
impedance into a real impedance. From the bode-fano criterion, the bandwidth matching
product can be derived. On the other hand, there is a bandwidth limitation by a large
ratio of the transformation ratio. A power FET has typically a low output impedance
which must be transformed into a system impedance of 50Ω. As a consequence, a large
transformation ratio is required. For the second limitation the high output impedance of
the GaN-technology is beneficial. In the second part of the thesis the stability issue of
multi-finger system is explained. Various possible oscillation conditions that can arise in a
multi-finger system are introduced. The focus is here on the “internal odd-mode instabil-
ity” which is the most critical oscillation in a multi-finger system. After that, two different
methods the open-loop and the nyquist (Z ) for analyzing the stability are presented. Fi-
kk
nally, the modeling approach of the complex micro-system broad-band RF power amplifier
is presented. For this work, the “slice model” approach is chosen which is well suited for
the study of the internal odd-mode oscillation.
In this thesis, three different power cell and power bar configurations Coplanar Waveguide
(CPW), Micro-Strip Line (MSL), and Individual Source Via (ISV) are investigated. A
power cell is a parallel connection of a small even number of maximum ten gate fingers
while a power bar is a parallel connection of several power cells. In the CPW configuration
the source is connected with bond wires while in the MSL configuration the source is con-
nect with front to back side via holes. The ISV is an advanced concept where the source
connection is integrated in the source strips with front to back side via holes. All of these
configurations are modeled with “slice model” approach to investigate internal effects and
stability. One critical point of a multi-finger system is the “internal odd-mode” instability.
The power cells and power bars are analyzed and optimized for both a sufficient stability
margin and a good performance such as efficiency, gain, and output power for a operating
i
frequency up to 6GHz. In the power cells analysis the influences of the source induc-
tance, unity gate finger width and the gate module parameters as well as the limits of each
configurations are shown. Furthermore, the power bars are also analyzed and optimized
for different packages. In the power bars analysis the influences of the packages on the
efficiency and gain are shown. Finally, proper solutions of power bars in packages for mo-
bile communication applications with an output power of 100W as well as for broad-band
applications with an operating frequency up to 6GHz are presented.
In the end of this work, the influences of the phase deviation of the individual power cells
within different circuit demonstrators are shown. The phase deviation of the individual
power cell reduces on the input side the gain and on the output side the efficiency and
output power of a PA. For this study, two broad-band Microwave Monolithic Integrate
Circuits (MMICs) and one narrow-band hybrid demonstrator were realized. The MMIC
studies show that with individual power cells a better phase control in comparison to a
power bar can be achieved. The investigation of the narrow-band hybrid demonstrator
shows that the phase deviation between the individual power cells can be controlled by
insertinga“Taper” structure,therefore,asaconsequencethepowerbarimpedanceistrans-
formed to unfavorable values. Finally, two studies show that there are further possibilities
to achieve a better phase control.
ii
Zusammenfassung
Aufgrund der zunehmenden Nachfrage nach höheren Datenraten und der daraus folgenden
höheren Übertragungsbandbreite, ist die Entwicklung von breitbandigen HF-Leistungsver-
stärkernfürdiedrahtloseKommunikationindenletztenJahrenimmerwichtigergeworden.
Solch breitbandige HF-Leistungsverstärker können sehr flexibel eingesetzt werden, da sie
unabhängig vom Mobilfunkstandard und Frequenzband sind. Neuen Lösungsansätze für
Leistungsverstärker-ArchitekturenbenötigenparallelauchneueLösungenaufBauelement-
und Technologieebene untersucht werden. Leistungs-FETs auf Basis von GaN-Technologie
bieten viele Vorteile für die Entwicklung dieser breitbandigen HF-Leistungsverstärker, wie
Robustheit, hohe Durchbruchspannung und hohe Leistungsdichte. In dieser Arbeit wer-
den breitbandige HF-Leistungsverstärker für einen Frequenzbereich von bis zu 6GHz und
einer Ausgangsleistung von 100W untersucht. Die Leistungs-FETs werden in Bezug auf
Stabilität, Effizienz, Gewinn und Ausgangsleistung analysiert und optimiert.
Zu Beginn der Arbeit werden die theoretischen Anforderung an einen breitbandigen HF-
Leistungsverstärker analysiert. Zunächst wird die theoretische Begrenzung der Bandbreite
untersucht und es wird gezeigt, dass es zwei prinzipielle Begrenzungen gibt. Dies ist
zum einen das Bode-Fano Kriterium welches die theoretische Begrenzung der Transfor-
mation einer komplexen Impedanz in eine relle Impedanz beschreibt. Mit dem Bode-
Fano Kriterium kann das Bandbreite-Anpassungprodukt hergeleitet werden. Darüber
hinaus ergibt sich eine Bandbreitenbegrenzung durch ein großes Transformationsverhält-
nis. Ein Leistungstransistor hat typischerweise eine kleine Ausgangsimpedanz, die in eine
Systemimpedanz von 50Ω transformiert werden muss. Als Konsequenz wird ein großes
Transformationsverhältnis benötigt. Im Bezug auf das Transformationsverhältnis ist die
hohe Ausgangsimpedanz der GaN-Technologie von Vorteil. Im zweiten Teil dieser Ar-
beit wird die Stabilitätsproblematik eines Mehrfingersystems erläutert. Es werden ver-
schiedene Oszillationsmöglichkeiten, die in einem Mehrfingersystem entstehen können,
vorgestellt. Der Fokus liegt hier auf der internen Gegentaktoszillation, die als kritische
Oszillation in einem Mehrfingersystem angesehen werden kann. Anschließend werden zwei
verschiedene Methoden die “open-loop”- und die Nyquistmethode (Z ) zur Stabilitätsana-
kk
lyse vorgestellt. Zum Schluss wird ein Modellierungsansatz für das komplexe Mikrosystem
einesBreitbandHF-Leistungsverstärkervorgestellt. FürdieArbeitwurdeder„slicemodel“
Ansatz gewählt. Dieser Modellansatz ist gut geeignet für die Untersuchung von internen
Gegentaktoszillationen.
In dieser Arbeit werden Leistungszellen und Leistungsbarren in den drei Konfigurationen
Coplanar Waveguide (CPW), Micro-Strip Line (MSL) und Individual Source Via (ISV)
untersucht. Eine Leistungszelle ist eine Parallelschaltung von einer kleinen, geraden An-
zahl von bis zu zehn Gatefingern, während ein Leistungsbarren eine Parallelschaltung von
mehreren Leistungszellen ist. In der CPW Konfiguration ist die Source mit einem Bond-
draht angeschlossen, während bei der MSL Konfiguration die Source mit Durchkontak-
tierung von der Vorderseite zur Rückseite angeschlossen ist. Bei der ISV Konfiguration
werden die Durchkontaktierungen von der Vorderseite zur Rückseite in den Sourcestreifen
iii
integriert. Alle diese Konfigurationen werden mit dem “slice-model” Ansatz modelliert
um interne Eigenschaften und Stabilität zu untersuchen. Ein kritischer Punkt in einem
Mehrfingersystem ist die interne Gegentaktoszillation. Die Leistungszellen und Leistungs-
barren werden analysiert und optimiert, sowohl auf ausreichende Stabilitätreserve als auch
auf gute Eigenschaften wie Effizienz, Gewinn und Ausgangsleistung für eine Arbeitsfre-
quenzvonbiszu6GHz. IndenLeistungszellenwerdendieEinflüssederSourceinduktivität,
der Gatefingerweite und der Gateparameter analysiert und die Grenze jeder Konfiguration
gezeigt. DesweiterenwirdderLeistungsbarrenfürdenAufbauundEinsatzinverschiedene
Gehäuse analysiert und optimiert. Es wird der Einfluss des Gehäuses auf die Effizienz und
den Gewinn des Leistungsbarren gezeigt. Anschließend werden Lösungen für einen Leis-
tungsbarrenimGehäusefürMobilfunkanwendungenmiteinerAusgangsleistungvon100W
bei 2GHz und für breibandige Anwendungen mit einer Arbeitsfrequenz von bis zu 6GHz
gezeigt.
Anschließend wird der Einfluss der phasenrichtigen Ansteuerung der einzelnen Leistungs-
zellen anhand von Verstärker-Demonstratoren untersucht. Eine nicht phasenrichtige An-
steuerungdereinzelnenLeistungszellenreduziertaufderEingangsseitedenGewinnundauf
der Ausgangsseite die Effizienz und die Ausgangsleistung. Für die Untersuchung wurden
zwei breitbandige Microwave Monolithic Integrate Circuit (MMIC) und ein schmalbandi-
ger Hybrid-Demonstrator realisiert. Die MMIC-Untersuchung zeigt, dass mit einzelnen
Leistungszellen eine bessere Ansteuerung im Vergleich zum Leistungsbarren im Gehäuse
erreicht werden kann. Die Untersuchung des schmalbandigen Hybrid Demonstrators zeigt,
dass eine phasenrichtige Ansteuerung der einzelnen Leistungszellen mit einer „Taper“-
Struktur möglich ist, die aber als Konsequenz die Leistungszellenimpedanz zu ungünstigen
Werten transformiert. Anschließend zeigen weitere Untersuchungen, welche alternativen
Möglichkeiten es gibt um eine bessere phasenrichtige Ansteuerung zu erreichen.
iv
Contents
1. Introduction 1
1.1. Motivation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Goal of this Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Comparison with State-of-the-Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3.1. Technology Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3.2. Device Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.3. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.4. State-of-the-art Mobile Communication Base Station Devices . . . . 4
1.3.5. State-of-the-art C-Band Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. Theoretical Consideration of Micro-System Broad-Band High-Power Amplifier 9
2.1. Requirements for Broad-Band High-Power Amplifier . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1. Distinction between Narrow-Band and Broad-Band . . . . . . . . . . 9
2.1.2. Broad-Band Requirements for Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2. Limitations for Broad-Band High-Power Amplifier . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1. Theoretical Limitation for Broad-Band Matching Networks . . . . . 11
2.2.2. Broad-Band Impedance Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3. Stability Issue for Multiple Finger Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1. Types of Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.2. Stability Analysis Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3. Field Theoretical Analysis 17
3.1. Complex Micro-System Broad-Band High-Power Amplifier . . . . . . . . . . 17
3.1.1. Description of Micro-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.2. Interface Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.3. Stability Issue of Micro-Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2. Modeling of Micro-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.1. Gate Finger Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.2. Slice Model for a Power Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.3. Verification of the Slice Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3. First Layout 8×400µm Coplanar Waveguide Power Cell . . . . . . . . . . . 23
3.3.1. Description of Coplanar Waveguide Power Cell . . . . . . . . . . . . 23
3.3.2. Stability Issue at Higher Drain Voltage for the Coplanar Waveguide
Power Cell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.3. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4. Proposal for Stable 6×400µm Coplanar Waveguide Power Cell . . . . . . . 26
3.4.1. Analysis of Gate Bus Structure of the Coplanar Waveguide Power Cell 26
3.4.2. Stability Simulation of 6×400µm Coplanar Waveguide Power Cell . 28
v
Contents
3.4.3. Discussion of the Results from Stability Simulation of 6×400µm
Coplanar Waveguide Power Cell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5. Frequency Scaling up to 6GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5.1. Relation between HEMT Layout Dimensions and Small-Signal Ele-
ments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5.2. Analysis of Layout Changes of the Micro-Strip Line Power Cell . . . 31
3.5.3. Investigation of Gate Module Parameters on Input Path of HEMT . 34
3.5.4. Consequence for Power Bar Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6. Introduction of New Layout Concept for the Power Cell . . . . . . . . . . . 39
3.6.1. Small-Signal Comparison of Micro-Strip Line and Individual Source
Via Power Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6.2. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4. Synthesis of Multiple Power Cells 43
4.1. Modeling of Multiple Power Cell Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1.1. Introduction of Different Multiple Power Cell Setup. . . . . . . . . . 43
4.1.2. Example Modeling of Power Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.3. Modeling Approach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2. Analysis of Power Bar Environment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.2. Simple Modeling Approach for Odd-Mode Oscillation Analysis of a
Mono-mos with n Unit Cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.3. Parallel Connection of n Power Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.4. Hybrid-Mos Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2.5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3. Design of Coplanar Waveguide Power Bar for Mobile Communication . . . . 63
4.3.1. StabilitySimulationofCoplanarWaveguidePowerBarwithoutPack-
age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.2. Stability Simulation of Coplanar Waveguide Power Bar in Package
RF3410 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.3. Large-Signal Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3.4. InvestigationofGainReductionofaCoplanarWaveguidePowerBar
in Package RF3410 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3.5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4. Design of Micro-Strip Line Power Bar for Operating Frequency up to 6GHz 73
4.4.1. Analysis of Gain Improvement of Micro-Strip Line Power Bar . . . . 74
4.4.2. Stability Analysis of Micro-Strip Line Power Bar . . . . . . . . . . . 76
4.4.3. Influence of Stability Resistors on Performance . . . . . . . . . . . . 77
4.4.4. Large-Signal Measurement Results at 4GHz and 6GHz . . . . . . . 80
4.4.5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.5. The Individual Source Via Approach Advances . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5.1. Mobile Communication Application. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5.2. Broad-Band and C-Band Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
vi
Contents
5. Demonstrators 87
5.1. Power Bar with MMIC Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1.1. Design Goal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1.2. Simulation Results of the Input Matching Network . . . . . . . . . . 88
5.1.3. Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.2. Broad-Band Power Amplifier with MMIC Approach . . . . . . . . . . . . . 90
5.2.1. Design Goal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.2.2. Simulation results for the input and output matching network . . . . 91
5.2.3. Measurement results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3. Narrow-Band High-Power Amplifier in Hybrid Approach at 6GHz . . . . . 94
5.3.1. Design Goal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.3.2. Phase Distribution Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.3.3. Simulation Results of the Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3.4. Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3.5. Discussion of the Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3.6. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.4. Demonstrators based on presented Power Bars. . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.4.1. Dual-Band Class-ABJ High Power Amplifier . . . . . . . . . . . . . . 100
5.4.2. Broad-Band Class-J High Power Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.4.3. Class-E High Power Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6. Conclusion and Outlook 105
6.1. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2. Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A. Cooperation with Partners 109
A.1. Cooperation with Cassidian Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A.2. Coopertion with NXP Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
A.2.1. Mobile Communications Base Stations . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
A.2.2. Future Work Swith-Mode Broad-Band High Power Amplifier . . . . 111
Reference 113
Publications 121
Acknowledgments 125
List of Tables 127
List of Figures 129
vii