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-?m-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 ? = 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 ?m 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 ? = 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