阅读说明：本技术 Ldmos功率放大器功率附加效率的仿真方法 (Simulation method for power added efficiency of LDMOS power amplifier ) 是由 王向展 吴锦帆 陈玉翔 唐周全 于奇 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及LDMOS功率放大器技术。本发明解决了现有提取不同LDMOS器件结构的功率附加效率指标的仿真方法精度不高且较为复杂的缺点,提供了一种LDMOS功率放大器功率附加效率的仿真方法,其技术方案可概括为：将现有的固定偏置电压替换为固定偏置电流,而对于不同的器件结构,在固定偏置电流条件下,其端口阻抗基本不变,因而采用统一的匹配电路即可完成不同器件结构的LDMOS功率放大器的搭建。本发明的有益效果是,提升效率指标的仿真精度,有效降低了匹配电路的设计次数,适用于LDMOS功率放大器功率附加效率的仿真。(The invention relates to an LDMOS power amplifier technology. The invention solves the defects of low precision and complexity of the existing simulation method for extracting power additional efficiency indexes of different LDMOS device structures, and provides a simulation method for the power additional efficiency of an LDMOS power amplifier, wherein the technical scheme can be summarized as follows: the existing fixed bias voltage is replaced by the fixed bias current, and for different device structures, the impedance of a port of the LDMOS power amplifier is basically unchanged under the condition of the fixed bias current, so that the construction of the LDMOS power amplifiers with different device structures can be completed by adopting a uniform matching circuit. The invention has the advantages of improving the simulation precision of the efficiency index, effectively reducing the design times of the matching circuit and being suitable for the simulation of the additional power efficiency of the LDMOS power amplifier.)

LDMOS功率放大器功率附加效率的仿真方法

技术领域

本发明涉及LDMOS功率放大器技术，特别涉及LDMOS功率放大器功率附加效率的仿真方法。

背景技术

目前，射频电路的应用随着通讯技术的发展日趋广泛，然而，射频通讯设备伴随其内部元件集成度的增加，功耗也不可避免的出现增长。设备整机的功耗主要集中于内部功率放大器单元，如果能够提升功率放大器的工作效率，降低整机的功耗消耗，可以有效的增强电池的续航能力与电子元件的寿命。依赖于LDMOS功率器件制作成本低，易于与CMOS工艺集成等方面的优势，LDMOS功率晶体管已经作为低频段功率放大器的主导技术而备受瞩目，因此如何提升LDMOS射频功率放大器的效率指标成为亟需解决的问题。

射频电路研究人员通常采用优化晶体管外部匹配电路的方法，以提升功率放大器效率。但是，LDMOS器件作为LDMOS功率放大器的核心元件，该方法并没有优化其电学特性，进而从本质上提升功率放大器的效率，存在一定的局限性。

优化LDMOS器件结构，改进其高频特性是提升LDMOS功率放大器效率的有效方法之一。在论文“An Accumulation Mode RF Laterally Double Diffused MOSFET WithImproved Performance”中，功率器件研究人员优化了LDMOS器件的电容特性与小信号特性指标，提升了器件的高频特性，但是忽略了功率放大器效率指标的提取，LDMOS器件在流片后，出现射频功率放大器效率降低的问题，因此如果在LDMOS器件的设计阶段，能够精准、高效的提取出功率放大器的效率指标，可以有效节省研究成本。

现阶段，提取不同LDMOS器件结构的功率附加效率指标，采用的常规仿真方法如下：首先，获取LDMOS器件数据(包括直流与交流小信号数据等)，并在射频电路仿真环境中进行等效电学特性建模，然后在相同的偏置电压条件下，确定其各自工作偏置点，根据不同LDMOS器件模型分别进行负载牵引与信号源牵引仿真，确定匹配电路，完成功率放大器的设计，最后进行大信号仿真以获取不同器件结构对应的功率附加效率指标。针对这种方法，由于其采用相同的偏置电压作为偏置方式，则存在两方面的问题：一、功率放大器在相同的偏置电压下，由于不同LDMOS器件结构之间电学特性的差异，造成功率放大器偏置工作点的不同，从而影响功率附加效率评估的准确性；二、针对不同的器件结构，器件端口阻抗的差异需要进行多次阻抗匹配设计，以得到其对应的匹配电路，重复的匹配电路设计大大增加了射频电路研究人员的工作量。

发明内容

本发明的目的是解决目前提取不同LDMOS器件结构的功率附加效率指标的仿真方法精度不高且较为复杂的问题，提供一种LDMOS功率放大器功率附加效率的仿真方法。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，LDMOS功率放大器功率附加效率的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取各LDMOS器件数据，搭建等效电学特性模型；

步骤2、根据功率放大器的工作偏置条件，确定在固定偏置电流下，各LDMOS器件对应的偏置电压，确定其工作偏置点；

步骤3、对任一LDMOS器件模型进行负载牵引与信号源牵引仿真，确定匹配电路，所有LDMOS器件模型均采用该匹配电路及相同的偏置电路，完成各功率放大器的设计；

步骤4、仿真所设计的各功率放大器，得到对应的功率附加效率指标。

具体的，为细化所述LDMOS器件数据，则步骤1中，所述各LDMOS器件数据包括各LDMOS器件直流输出特性数据、转移特性数据及小信号S参数数据。

进一步的，为解决在获取各LDMOS器件数据，搭建等效电学特性模型时运算量较大的问题，则步骤1中，所述获取各LDMOS器件数据，搭建等效电学特性模型是指：获取各LDMOS器件数据，结合LDMOS器件直流输出特性数据及转移特性数据通过解析方法搭建直流等效电学特性模型，并且结合LDMOS器件的小信号S参数测试数据搭建交流小信号等效电学特性模型，直流等效电学特性模型和交流小信号等效电学特性模型组成等效电学特性模型。

具体的，为提出一种解析方法，则步骤1中，所述解析方法为：

根据LDMOS器件的阈值电压V_T、栅源电压V_GS及漏源电压V_DS的关系，将其直流电流特性划分为四个区：

其中，阈值电压V_T与漏源电压V_DS关系表示为V_T＝V_T0+γ·V_DS；

当V_GS＜V_DS时，LDMOS器件处于截止区；

当V_GS≥V_T且V_DS＜V_GS-V_T时，LDMOS器件处于二次区或线性区，在二次区时，栅源电压V_GS接近V_T；

当V_GS≥V_T且V_DS＞V_GS-V_T时，LDMOS器件处于饱和区；

当LDMOS器件处于二次区时，漏极电流I_dsq与栅极电压的平方呈正比，则有：

其中，V_gst为有效栅源电压，V_gs1为中间变量，V_st表示器件开启的陡峭程度，V_T0、γ、V_st和β的数值根据LDMOS器件的直流数据进行拟合得到；

当LDMOS器件处于线性区时，漏极电流I_ds表示为：

当LDMOS器件处于饱和区时，漏极电流不再随栅极电压增加而线性增加，饱和区电流公式I_ds表示为：

其中V_gs3表示为：

其中V_gs2表示为:

其中，V_k表示为器件的饱和栅压，Δ、λ与α是BSIM3标准模型参数，psat控制LDMOS从线性区进入饱和区；V_L、p_lin是根据LDMOS的直流数据进行拟合得到的拟合因子；

根据上式结合LDMOS器件直流数据，进行直流等效特性建模。

本发明的有益效果是，通过上述LDMOS功率放大器功率附加效率的仿真方法，可以看出，对于不同LDMOS器件结构，其偏置点的差异会对效率仿真造成影响，通过研究不同LDMOS器件结构的直流跨导曲线可知，以相同的偏置电流作为功率放大器偏置点的确定方法，可以有效减少不同功率放大器偏置点的差异，提升效率指标的仿真精度；由于LDMOS器件采用固定偏置电流，对于不同的LDMOS器件结构，其端口特性基本不变，所以使用相同的匹配电路可以简化匹配电路的优化次数，可快速获得不同LDMOS器件结构搭建的射频功率放大器，有效降低了匹配电路的设计次数。

附图说明

图1为本发明LDMOS功率放大器功率附加效率的仿真方法的流程图；

图2为本发明实施例1中S1器件直流测试数据与使用本发明的建模仿真结果对比图；

图3为本发明实施例1中S1、S2两款器件在工作频率为100MHz至2GHz的小信号参数S11测试数据对比图；

图4为本发明实施例1中S1、S2两款器件在工作频率为100MHz至2GHz的小信号参数S22测试数据对比图；

图5为本发明实施例1中对S1、S2两款器件搭建的功率放大器，使用固定偏置电压为偏置方式时，功率放大器的直流功率与输出功率关系对比图；

图6为本发明实施例1中对S1、S2两款器件搭建的功率放大器，使用固定偏置电流为偏置方式时，功率放大器的直流功率与输出功率关系对比图；

图7为本发明实施例1中分别采用常规的仿真方法与本发明方法对S1器件仿真得到的功率附加效率与实际测试数据对比图；

图8为本发明实施例1中分别采用常规的仿真方法与本发明方法对S2器件仿真得到的功率附加效率与实际测试数据对比图；

图9为实施例2中原LDMOS器件结构示意图；

图10为实施例2中改进后的LDMOS器件结构示意图；

图11为实施例2中两种LDMOS器件结构仿真后得到的功率附加效率与输入功率关系曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明所述的LDMOS功率放大器功率附加效率的仿真方法，其流程图参见图1，包括以下步骤：

步骤1、获取各LDMOS器件数据，搭建等效电学特性模型；

步骤2、根据功率放大器的工作偏置条件，确定在固定偏置电流下，各LDMOS器件对应的偏置电压，确定其工作偏置点；

步骤3、对任一LDMOS器件模型进行负载牵引与信号源牵引仿真，确定匹配电路，所有LDMOS器件模型均采用该匹配电路及相同的偏置电路，完成各功率放大器的设计；

步骤4、仿真所设计的各功率放大器，得到对应的功率附加效率指标。

通过研究器件S参数测试数据可以发现，对于不同的器件结构，在固定偏置电流条件下，其端口阻抗基本不变，因而采用统一的匹配电路即可完成不同器件结构的LDMOS功率放大器的搭建，有效降低了匹配电路的设计次数。

为细化所述LDMOS器件数据，则步骤1中，所述各LDMOS器件数据优选为包括各LDMOS器件直流输出特性数据、转移特性数据及小信号S参数数据等。

为解决在获取各LDMOS器件数据，搭建等效电学特性模型时运算量较大的问题，则步骤1中，所述获取各LDMOS器件数据，搭建等效电学特性模型可以为：获取各LDMOS器件数据，结合LDMOS器件直流输出特性数据及转移特性数据通过解析方法搭建直流等效电学特性模型，并且结合LDMOS器件的小信号S参数测试数据搭建交流小信号等效电学特性模型，直流等效电学特性模型和交流小信号等效电学特性模型组成等效电学特性模型。

为提出一种解析方法，则步骤1中，所述解析方法可以为：

根据LDMOS器件的阈值电压V_T、栅源电压V_GS及漏源电压V_DS的关系，将其直流电流特性划分为四个区：

其中，阈值电压V_T与漏源电压V_DS关系表示为V_T＝V_T0+γ·V_DS；

当V_GS＜V_DS时，LDMOS器件处于截止区；

当V_GS≥V_T且V_DS＜V_GS-V_T时，LDMOS器件处于二次区或线性区，在二次区时，栅源电压V_GS接近V_T；

当V_GS≥V_T且V_DS＞V_GS-V_T时，LDMOS器件处于饱和区；

当LDMOS器件处于二次区时，漏极电流I_dsq与栅极电压的平方呈正比，则有：

其中，V_gst为有效栅源电压，V_gs1为中间变量，V_st表示器件开启的陡峭程度，V_T0、γ、V_st和β的数值根据LDMOS器件的直流数据进行拟合得到；

当LDMOS器件处于线性区时，漏极电流I_ds表示为：

当LDMOS器件处于饱和区时，漏极电流不再随栅极电压增加而线性增加，饱和区电流公式I_ds表示为：

其中V_gs3表示为：

其中V_gs2表示为:

其中，V_k表示为器件的饱和栅压，Δ、λ与α是BSIM3标准模型参数，psat控制LDMOS从线性区进入饱和区；V_L、p_lin是根据LDMOS的直流数据进行拟合得到的拟合因子；

根据上式结合LDMOS器件直流数据，进行直流等效特性建模。

上述解析的方法对LDMOS功率晶体管直流电流进行计算，在保证一定精度的同时，大大减小了运算量进而提升了运算速度，便于在EDA工具中进行仿真实施，快速得出LDMOS晶体管直流电流特性对功率放大器功率附加效率的影响，进而给功率器件设计工作者有关电学特性方面的有益指导；且对LDMOS功率晶体管按照其工作状态进行划分，然后求出不同工作状态下的输出电流，得到的LDMOS功率晶体管总输出电流公式简单，准确性高，适用范围广，可直接加入到集成电路的仿真软件中获得直接的电路仿真模型；另，针对不同功率放大器的静态工作偏置点的选择进行了描述，使用固定偏置电流作为确定偏置工作点的方法，方便快速的确定放大器静态偏置工作点，提升了功率放大器效率仿真的准确性。

实施例1

针对两款射频功率LDMOS芯片，其工艺步骤存在差异，且结构不同，器件名称分别为L0009_2507及L0009_2508，代号分别为S1及S2。利用本发明的技术方案仿真得到上述两种器件搭建的射频功率放大器功率附加效率的步骤如下：

步骤1、获取LDMOS器件的直流、交流小信号测试数据，使用解析方法搭建直流等效电学特性模型，并且结合LDMOS器件的小信号S参数测试数据搭建交流小信号等效电学特性模型；

步骤2、根据功率放大器的偏置条件，确定S1、S2两款器件在固定偏置电流条件下对应的偏置电压；

步骤3、以S1器件为例，对器件模型进行源牵引与负载牵引仿真，确定S1功率放大器的匹配电路，S2器件使用相同的偏置电路与匹配电路，完成两款功率放大器的设计。

步骤4、获得的两款功率放大器运行仿真，得到功率附加效率数据。

图2为实施例1中的S1器件直流测试数据与使用本发明的建模仿真结果对比图，其中，Measured为实际器件的测试数据，Simulated为器件等效模型的仿真数据；由图2可知，本发明中的使用解析方法得到的模型仿真数据与测试数据的接近程度很好。

图3、4为S1、S2两款器件在工作频率为100MHz至2GHz的小信号参数S11、S22测试数据对比图。其中图3为S11测试数据对比图，图4为S22测试数据对比图。由图3、4可知，在固定偏置电流条件下，不同的器件结构其端口阻抗基本不变。所以，本发明技术方案中使用固定的偏置电流作为工作条件，对于不同的LDMOS器件，其功率放大器可以采用相同用的匹配电路，降低了匹配电路设计的工作量，提高了射频研究人员的工作效率。

图5、6为对S1、S2两款器件搭建的功率放大器，使用不同的偏置方式，功率放大器的直流功率与输出功率关系对比图。对比图5、6可知，以输出功率为Pout＝36dBm为例，使用相同的偏置电压作为偏置方式，两款功率放大器直流功率相差0.6W，使用相同的偏置电流作为偏置方式，两款功率放大器直流功率相差0.2W，而直流功率相差较大，对功率放大器效率评估影响较大。所以，使用相同的偏置电流作为功率放大器的偏置条件，可以有效降低器件偏置点对功率放大器效率评估的影响，提高评估准确性，可见，当使用相同的输入偏置电压作为功率放大器的偏置条件，在相同的输出功率条件下，两款功率放大器直流功率相差较大，对功率附加效率指标影响较大，而使用相同的偏置电流作为功率放大器的偏置条件，直流功率相差较小。

图7、8为分别采用常规的仿真方法与本发明方法对实施例1中S1、S2两款器件，仿真得到的功率附加效率与实际测试数据对比图。其中，图7表示S1器件的效率曲线仿真结果图，图8表示S2器件的效率曲线仿真结果结果图，则对应的S1_常规方法是指S1器件在采用相同的偏置电压时的直流功率与功率附加效率关系曲线，S1(ex)是指S1器件在实际测试得到的直流功率与功率附加效率关系曲线，S1_本发明方法是指S1器件在采用相同的偏置电流时的直流功率与功率附加效率关系对比图，S2_常规方法是指S2器件在采用相同的偏置电压时的直流功率与功率附加效率关系曲线，S2(ex)是指S1器件在实际测试得到的直流功率与功率附加效率关系曲线，S2_本发明方法是指S2器件在采用相同的偏置电流时的直流功率与功率附加效率关系对比图，横坐标表示输入功率(即直流功率)，纵坐标表示功率附加效率(PAE)。其中，由于功率放大器为AB类的工作状态，射频电路研究人员通常关注大输入功率条件下的效率指标，因此在附图7、8中采用嵌入的框图分别表示对S1、S2器件功率附加效率(PAE)与输入功率关系曲线进行放大展示，其中横坐标表示输入功率，输入功率范围为19dBm至25dBm。由图7、8可知，相比于常规仿真方法，本发明提出的仿真方法其结果与实际测试数据拟合更好，准确度更高。

实施例2

本例中采用本发明方法结合TCAD仿真软件，使用联合仿真的方法对LDMOS器件结构进行优化。如图9、10所示，图9为原LDMOS器件结构示意图，包括半导体衬底1、源极扩展区2、源区3、沟道区4、栅氧5、栅6、漂移区7及漏区8，而图10为改进后的LDMOS器件结构示意图，包括半导体衬底1、源极扩展区2、源区3、沟道区4、栅氧5、栅6、漂移区7、漏区8、轻掺杂漂移区9，对比两款器件结构可知，改进后的LDMOS器件结构(图10)引入了轻掺杂漂移区9，其他部分的掺杂浓度及尺寸与图9保持一致。其中，轻掺杂漂移区9的引入，改善了LDMOS器件的交流小信号特性。

对图9原器件结构采用优化匹配电路的方法以及对上述两款器件结构采用本发明方法仿真后，得到对应的功率附加效率。如图11所示，为仿真后得到的功率附加效率与输入功率关系曲线对比图，其中，S1代表图9结构的功率附加效率曲线，S2代表图10的功率附加效率曲线，S1(Circuit)代表使用优化匹配电路的方法仿真得到的功率附加效率曲线。

由图11可知，采用优化匹配电路与优化器件结构都可以提升功率附加效率，同时，采用优化器件结构的方法并使用本发明的仿真方法可以有效提升功率附加效率。

由实施例2可知，基于本发明提出的仿真方法可以实现通过优化功率器件结构提升射频功率放大器功率附加效率的目的，进而可指导功率器件设计工作者进行高效率的功率晶体管器件设计。