金則軍

(北京爍科中科信電子裝備有限公司長(zhǎng)沙分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

在整個(gè)半導(dǎo)體芯片制造中，至少需要幾十道加工工序，涉及各種半導(dǎo)體設(shè)備。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不斷深化，半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)愈加引起重視，通過(guò)對(duì)一系列重點(diǎn)工藝和技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，有效促進(jìn)了我國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)的發(fā)展。目前雖然我國(guó)半導(dǎo)體專用設(shè)備企業(yè)銷售規(guī)模不斷增長(zhǎng)，但半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)仍處于追趕階段，整體國(guó)產(chǎn)化率處于較低水平，許多半導(dǎo)體專用設(shè)備仍主要依賴進(jìn)口，離子注入機(jī)就是其中之一。

離子注入機(jī)是對(duì)半導(dǎo)體表面附近區(qū)域進(jìn)行摻雜的技術(shù)，是制作集成電路必不可少的重要工序，離子注入機(jī)是半導(dǎo)體晶圓制造設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備，高速高功率放大器(電源)是其組成之一，它的技術(shù)指標(biāo)會(huì)直接影響整個(gè)設(shè)備的性能。

許多科研儀器和傳感器都需要交流高壓驅(qū)動(dòng)(放大)器，它是一種高電壓輸出的信號(hào)發(fā)生器，是配合信號(hào)源的理想工具，通過(guò)相關(guān)設(shè)備連接，拓展信號(hào)源的輸入電壓幅度范圍。如半導(dǎo)體高壓驅(qū)動(dòng)、壓電材料驅(qū)動(dòng)等方面。目前，市場(chǎng)現(xiàn)有的高壓放大器輸出峰值電壓小于±10 kV。本文研制的高速高壓功率放大器，在很大程度上提高了放大器輸出峰值電壓(40 kV)及額定輸出功率(400 W)；在高速、高壓、高功率下滿足帶寬、壓擺率等指標(biāo)參數(shù)的要求。

1 高壓放大器的設(shè)計(jì)思路

1.1 放大器的工作類型

根據(jù)有源器件的導(dǎo)通情況，通常將放大器分為A、B、C等幾種類型[1]：

A類放大器：如圖1所示，功率器件導(dǎo)通角為360°，始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，無(wú)論有無(wú)輸入信號(hào)，均有電流流過(guò)器件。因此A類放大器的效率低，但它具有良好的線性，無(wú)交越失真問(wèn)題。

圖1 A類放大器導(dǎo)通角360°

B類放大器：如圖2所示，兩個(gè)功率器件在正、負(fù)半個(gè)周期輪流導(dǎo)通，導(dǎo)通角為180°，在無(wú)輸入信號(hào)時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)功率器件。因此效率比A類放大器高，由于兩個(gè)功率器件輪流導(dǎo)通，所以存在交越失真問(wèn)題。

圖2 B類放大器導(dǎo)通角180°

AB類放大器：如圖3所示，AB類放大器介于A類和B類之間，功率器件導(dǎo)通角180°～360°，因此效率高于A類放大器，失真低于B類放大器。

圖3 AB類放大器導(dǎo)通角（180～360°）

小信號(hào)時(shí)2個(gè)晶體管同時(shí)開，類似于A類放大器;大信號(hào)時(shí)，每半個(gè)周只有一個(gè)晶體管工作，類似于B類放大器。

C類放大器：如圖4所示，功率器件的導(dǎo)通角小于180°，因此效率較高，失真很大，通常用于射頻放大器。

圖4 C類放大器導(dǎo)通角小于180°

1.2 高壓放大器工作方式的選擇

兼顧失真和效率，高壓放大器的工作模式選擇為AB類，用推挽方式實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 高壓放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)，工作在A類，用推挽方式實(shí)現(xiàn)

上、下管Q1、Q2完全相同。當(dāng)輸入信號(hào)為0時(shí)，激勵(lì)級(jí)產(chǎn)生兩個(gè)大小相同的基極電流IbQ_Q1和IbQ_Q2，所以上下管Q1、Q2流過(guò)相同的靜態(tài)電流IQ，由于上、下管產(chǎn)生的壓降相同，所以輸出電壓Vout=0 V。

當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)如圖6所示。

圖6 當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)高壓放大器的工作

激勵(lì)級(jí)將輸入電壓變換成兩個(gè)具有直流分量IbQ_Q1和IbQ_Q2的差分電流信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)正半周時(shí)Q1的輸出電流會(huì)上升，而Q2的輸出電流會(huì)逐漸下降為0，這使得Q1上的壓降降低，而Q2上的壓降上升，最終負(fù)載上的輸出電壓V輸出上升。反之在輸入信號(hào)負(fù)半周時(shí)，負(fù)載上的輸出電壓V輸出下降。

2 高壓放大器的單元構(gòu)成

高壓放大器的單元組成如圖7所示。

圖7 高壓放大器的單元組成

高壓放大器的輸出經(jīng)電壓取樣后與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差信號(hào)經(jīng)誤差放大器放大后由激勵(lì)級(jí)驅(qū)動(dòng)放大器輸出，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋控制，使得輸出電壓能夠跟隨輸入信號(hào)，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

放大器設(shè)置有輸出電流限流控制、輸出電流過(guò)流觸發(fā)保護(hù)、短路保護(hù)及放大器穩(wěn)定性保護(hù)等，并設(shè)有輸出電流檢測(cè)、輸出電壓檢測(cè)和放大器穩(wěn)定性檢測(cè)報(bào)警等檢測(cè)信號(hào)。

3 高壓放大器的實(shí)現(xiàn)

3.1 高壓器件的實(shí)現(xiàn)

由于需要輸出±20 kV的高壓，推挽放大器的上、下兩個(gè)功率管是實(shí)現(xiàn)高壓放大器的關(guān)鍵。為了提高耐壓，功率放大電路以雙極型晶體管為主體，由MOSFET和IGBT組成的串聯(lián)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 高壓放大器的單元組成

均壓是器件串聯(lián)使用時(shí)無(wú)法回避的問(wèn)題，如圖8所示由N個(gè)單元組成的上管，供電電壓為Vcc、輸出電壓為Vout，則每個(gè)單元承受的電壓為：

當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，每個(gè)單元承受的電壓同步變化，每個(gè)單元的電壓VCELL仍然相同，實(shí)現(xiàn)了均壓。

3.2 靜態(tài)工作點(diǎn)

高壓放大器的最大輸出電流為±20 mA，兼顧失真和效率，將功率器件的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在8 mA處(激勵(lì)級(jí)電路的設(shè)計(jì)保證放大器的輸入電流Ib不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值)，如圖9所示。

圖9 高壓放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)

當(dāng)輸入電壓為0時(shí)，放大器的靜態(tài)工作電流為8 mA，上下管電流相同，輸出電壓為0。當(dāng)輸入電壓為正時(shí)上管導(dǎo)通電流上升，下管導(dǎo)通電流下降，使得輸出電壓為正。反之，輸入電壓為負(fù)時(shí)，輸出電壓為負(fù)。

3.3 環(huán)路穩(wěn)定性

未補(bǔ)償時(shí)的環(huán)路增益Tu(s)可近似為：

其中：

Tu0≈1.91

ωp1≈5.65×104(rad/s)

ωp2≈3.9×106(rad/s)

Q≈1.15

未補(bǔ)償環(huán)路增益的伯德圖如圖10所示，環(huán)路低頻增益約5.6 dB，環(huán)路穿越頻率約15 kHz。

圖10 未補(bǔ)償環(huán)路增益的伯德圖

為了提高環(huán)路帶寬，并提高放大器的低頻抗干擾能力，補(bǔ)償器采用滯后超前網(wǎng)絡(luò)[2]，設(shè)置環(huán)路帶寬為300 kHz、相位裕度60°。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)Gc(s)為：

其中：

Gc0≈2.4×106

ωz≈6.21×105(rad/s)

Q2≈0.26

ωp3≈7.32×106(rad/s)

Q3≈0.35

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的伯德圖如圖11所示。

圖11 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的伯德圖

補(bǔ)償后的環(huán)路增益T(s)約為：

其中：

T0=Tu0Gc0≈4.584×106

ωz≈6.21×105(rad/s)

Q2≈0.26

ωp1≈5.65×104(rad/s)

ωp2≈3.9×106(rad/s)

Q≈1.15

ωp3≈7.32×106(rad/s)

Q3≈0.35

補(bǔ)償后的環(huán)路增益的伯德圖如圖12所示，其穿越頻率約為300 kHz，相位裕度約為60°。為了適用不同的負(fù)載特性，環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的增益設(shè)置為在一定范圍內(nèi)可調(diào)，并將調(diào)節(jié)電位器設(shè)置在前面板上。

圖12 補(bǔ)償后環(huán)路增益的伯德圖

4 放大器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓放大器由供電電源、放大器、控制板等單元組成。由于放大器的整機(jī)功耗較大，散熱是整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。機(jī)箱采用了風(fēng)冷，在后面板上安裝兩個(gè)風(fēng)扇，在機(jī)箱的兩側(cè)靠近前面板各設(shè)置一個(gè)通風(fēng)口，便于氣流通過(guò)放大器的功率單元和高壓供電電源，如圖13所示。

圖13 高壓放大器的結(jié)構(gòu)示意圖

5 測(cè)試結(jié)果

輸出電壓范圍：±20kV(額定負(fù)載1 MΩ)

壓擺率：800 V/μs

大信號(hào)帶寬(1%失真)：5 kHz

小信號(hào)帶寬：20 kHz

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了±20 kV/400 W高壓放大器的研制，描述了高壓放大器的單元組成、功率器件的結(jié)構(gòu)組成、放大器的動(dòng)力學(xué)特性，以及放大器的環(huán)路補(bǔ)償及其環(huán)路穩(wěn)定性。通過(guò)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。