摘要
在中国，以Sub-6G频段为主的第五代通信技术（5G）对移动通信设备和基础设施提出了千兆级传输速率、毫秒级移动时延、百万级连接密度等一系列具有挑战性的性能指标。功率放大芯片（以下简称“功放”，PA）作为工作在Sub-6G波段下的射频前端发射系统的关键模块，其面积和功耗比例最大，成为决定无线通信系统整体性能的关键因素之一。 然而，Sub-6G通信所采用的突破性技术对功放的稳定性提出了挑战。首先，Sub-6G使用的调制信号，其复杂的调制方式不仅对功放性能提出更加严苛的要求，而且较高的峰值平均功率比（PARR）导致芯片内部过热，性能大幅度降低。其次，Sub-6G功放多数工作在功率回退的情况下，在高功率回退值下功放的效率衰减较大，导致系统的发热量由此升高。因此，对于集成度越来越高的功放芯片来讲，如何在满足芯片指标的同时提高芯片的稳定性，成为亟待解决的问题。 本文以Sub-6G功放芯片为研究对象，以协同提高芯片的电气指标和热性能为目标，采用GaAs异质结双极晶体管(HBT)工艺，开展“设计-仿真-建模”相结合的电热协同优化方案研究。论文主要内容如下： 1.提出电热协同优化的方法论，解决现有电热性能优化技术种类繁多但无法协同共存的问题。该方法论基于功放多热源的电热联合仿真，一方面提取边界条件提高热建模的精准性，一方面反馈多热源的热阻网络提高电路仿真的准确性。该方法论为现有芯片设计过程的参数无效反馈提供解决思路，是一种应用于前仿阶段的“设计-仿真-建模”的协同优化方案。试验结果表明高温下的芯片仿真结果和测试结果误差从5%降低至1%。利用联合仿真，在前期仿真阶段即可获得准确的芯片参数。 2.设计适用于GaAs HBT功率放大芯片的抑制温漂偏置电路，该电路所产生的与绝对温度成零温度系数（ZTAT）的偏置电流，在100℃的温度变化范围内误差最小可达3.8%。在芯片内部温度过高的情况下，有效抑制功放芯片电气参数的漂移，优化芯片在高温下的热特性。相比于传统基于电流镜的独立电流源，该电路采用的二极管和电阻结构可以有效解决输出电流随偏置电压和电阻温度系数而变化的问题；相比于基于带隙基准偏置电路，该电路无需额外的运算放大器以满足匹配要求，是一种适合于HBT工艺的低面积成本、低功耗的偏置电路。 3.设计基于GaAs HBT工艺的Sub-6G频段功率放大芯片，在5V的偏置电压下，实现30dBm的输出功率，50%的电源附加效率（PAE）。结合ZTAT偏置电路，在高温环境下，功放输出功率和PAE的误差为3.1%和0.6dBm，小于传统独立电流源所产生的误差。 4.提出功放芯片的版图优化方案，在不改变功放电气指标的前提下，通过多拟合热源间距与温度分布之间的曲线关系，在最小面积成本的前提下，均匀降低片上多热源之间的温度以及温度差。利用该方案，能够同时获得面积可观与温度最佳的最优解，为温度均匀分布的芯片版图设计提供指导。经仿真验证，本文所设计芯片可在增大27%放大管间距的面积成本下，使功放管温度降低10℃，管间温度差降低7℃。 本文所提出的优化功放芯片电性能与热性能的协同方法具有普适性，可扩展至其他对电热性能要求高的芯片设计中，降低面积成本，缩小仿真差距，缩短设计周期，保证功放芯片工作在商业级芯片所要求的工作温度范围内。
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