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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-79591
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7959/


Maroldt, Stephan

Gallium nitride based transistors for high-efficiency microwave switch-mode amplifiers

Galliumnitrid-basierte Transistoren für hochenergieeffiziente Schaltverstärker im Mikrowellenbereich

Dokument1.pdf (4.469 KB) (md5sum: 7c6f4b963d7a67d778069fd2b492b6c1)

Kurzfassung in Deutsch

Schaltverstärker mit hoher Energieeffizienz und Ausgangsleistung sind Schlüsselelemente für die neueste Generation von Mobilfunkbasisstationen. Diese neuen digitalen Basisstationen verringern den Energieverbrauch, die Kosten und die Baugröße einer Basisstation, wobei gleichzeitig die Möglichkeit eröffnet wird, mehrere Frequenzbänder und Mobilfunkstandards mit einem System zu bedienen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unter Verwendung der Galliumnitrid-Technologie (GaN-Technologie) neuartige integrierte Leistungsverstärkerschaltungen entwickelt. Der Einsatz dieser Schaltungen in digitalen Klasse-D und Klasse-S Schaltverstärker in einer digitalen Basisstation trägt erheblich zur Verbesserung der Energieeffizienz bei. Durch eine Optimierung der GaN-Bauelemente und der gleichzeitigen Weiterentwicklung im Schaltungsdesign konnte erstmals eine Anwendung dieser Schaltungen im Mobilfunkfrequenzbereich zwischen 0.45 GHz und 2 GHz ermöglicht werden.
Dazu wurde zunächst ein Transistormodell für den Schaltbetrieb erstellt sowie eine Simulationsumgebung und ein Breitbandmesssystem für die Entwicklung des digitalen Schaltverstärkers eingerichtet. Der Entwurf der integrierten Schaltungen für den Einsatz in breitbandigen Schaltverstärkerkonzepten wurde am Beispiel eines zweistufigen Leistungsverstärkers untersucht, für den eine GaN-Technologie mit 0.25 µm Gatelänge verwendet wurde. Hierbei konnte die Schaltfrequenz durch eine gezielte Geschwindigkeitsoptimierung der Treiberschaltung auf über 1 GHz erhöht werden. Weiterhin wurde der Einfluss der Transistoreigenschaften, wie zum Beispiel der Grenzfrequenz und Gatekapazität, auf die Geschwindigkeit und die Effizienz der Basisschaltungen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine Reduzierung der Gatelänge deutlich zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit beiträgt, während ein reduzierter Widerstand im eingeschalteten Zustand des GaN-Transistors die statischen Verluste signifikant verringert. Neben diesen Ergebnissen wurde die Beschränkung auf eine Umgebungsimpedanz von 50 Ohm als ein wichtiger geschwindigkeitslimitierender Faktor identifiziert. Durch die hohe Impedanz des externen Treibers kann die Eingangsgatekapazität der GaN-Schaltung nur langsam geladen und entladen werden, wodurch die Schaltgeschwindigkeit begrenzt wird.
Verbesserte Schaltungs- und Transistordesigns ermöglichten letztendlich die Entwicklung einer schnellen Verstärkerbasisschaltung mit 1.2 mm Gateweite in der Ausgangsstufe. Diese kann digitale Signale bis zu einer Frequenz von 2 GHz mit einer hohen Draineffizienz > 65% schalten, wobei eine digitalen Ausgangsleistung von 5 W erreicht wurde. Durch eine angepasste Gateweite konnte eine hohe Ausgangsleistung von 9.7 W mit einer Gesamteffizienz von über 80% für eine Frequenz von 0.45 GHz erreicht werden.
Weiterhin wurden GaN-basierte selbstsperrende Transistoren mit sehr hoher Steilheit mittels einer so genannten gate-recess Technologie entwickelt. Diese ermöglichen eine zusätzliche Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit sowie eine Vereinfachung der Schaltungskomplexität. Es wurden Transistoren mit einer Schwellspannung von +1 V und mit einer maximalen Steilheit bis zu 600 mS/mm realisiert, deren Ausgangsstrom und Ausgangsleistung vergleichbar mit denen herkömmlicher selbstleitender Transistoren sind. Durch ihre hohe Steilheit reduziert sich der benötigte Eingangsspannungshub zum An- und Ausschalten des Transistors. Damit wird die Kompatibilität von GaN-basierten Schaltverstärkerschaltungen zu externen digitalen Treiber- und Modulatorschaltungen, die in Siliziumtechnologie hergestellt werden, erheblich verbessert und damit die Realisierbarkeit der digitalen Basisstation vereinfacht.
Eine weitere innovative Entwicklung ist der Austausch einer hybriden Diode im Modulaufbau des Class-S Verstärker durch eine integrierten Lösung on-chip, dem GaN Transistor mit integrierter seriell geschalteter Diode. Dadurch werden parasitäre Schaltverluste reduziert, die Schaltungskomplexität verringert und die maximale Schaltfrequenz und Effizienz des gesamten Verstärkermoduls erhöht. Eine differentielle Basisschaltung mit diesen Transistoren und zusätzlichen integrierten Filterelementen ermöglichte dem Projektpartner EADS Deutschland die Realisierung des weltweit ersten Class-S Verstärkermoduls bei 2 GHz.


Kurzfassung in Englisch

Highly-efficient switch-mode power amplifiers form key elements in future fully-digital base stations for mobile communication. This novel digital base station concept reduces system energy consumption, complexity, size and costs, while the flexibility in terms of multi-band operation and signal modulation improves. In this work, innovative core circuits for digital high-efficiency class-D and class-S power amplifiers based on gallium nitride (GaN) technology were developed for the application in digital base stations. A combination of optimized GaN devices and improvements in circuit design allow a highly-efficient switch-mode operation at mobile communication frequencies between 0.45 GHz and 2 GHz.
Transistor device modeling for switch-mode operation, the simulation environment, and a broadband measurement system were established for the design and evaluation of digital switch-mode power amplifiers. The design of broadband core circuits for switch-mode amplifier concepts was analyzed for dual-stage amplifier circuits, using an initial GaN technology with a gate length of 0.25 µm. A speed-enhanced driver stage improved the circuit switching speed sufficiently above 1 GHz. Speed and efficiency of the amplifier core circuits were studied related to transistor parameters like cut-off frequency or gate capacitance. A reduced gate length was found to improve the switching speed, while a lower on-resistance allows the reduction of the inherent static losses of the GaN-based switches. Apart from this, the restriction to a 50 Ohm environment was found to be the major output power and switching speed limitation, due to a poor drive capability at the input of the GaN circuit.
Finally, the optimized transistor and circuit design with an output gate width of 1.2 mm were effectively implemented in the given environment for an operation up to 2 GHz with a high drain efficiency of > 65% and a digital output power of 5 W. A maximum output power of 9.7 W and a circuit efficiency of > 80% were achieved for an operation at 0.45 GHz when adjusting the transistor size for lower operation frequencies.
A further decisive improvement of speed and circuit complexity was found by the implementation of enhancement-mode GaN transistors based on a high-transconductance gate-recess technology. Transistors with a threshold voltage of +1 V were demonstrated with a high current drive capability and a maximum transconductance of up to 600 mS/mm. Their reduced input voltage swing tremendously increases the compatibility of digital power amplifier circuits based on GaN and external digital driver and modulation circuits based on silicon technology.
Moreover, an innovative development, the series-diode GaN transistor, replaces an off-chip hybrid diode in the class-S amplifier with an integrated solution. It reduces parasitic switching losses and improves the total amplifier properties in terms of operation frequency, efficiency, and circuit complexity. A differential switch-mode core chip featuring series-diode transistors and additional on-chip filter elements enabled our partner EADS to realize the first class-S amplifier at 2 GHz worldwide in a module.


SWD-Schlagwörter: Galliumnitrid , Schaltverstärker , HEMT , Basisstation <Mobilfunk> , Mobilfunk , Leistungsverstärker
Freie Schlagwörter (deutsch): Klasse-S , Klasse-D , digitale Basisstation
Freie Schlagwörter (englisch): GaN , switch-mode , mobile communications , class-S , power amplifier
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Ambacher, Oliver (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.11.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 22.02.2011
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