用于离子注入机的高压放大器的研制

金则军

(北京烁科中科信电子装备有限公司长沙分公司，湖南 长沙 410000)

在整个半导体芯片制造中，至少需要几十道加工工序，涉及各种半导体设备。随着半导体产业不断深化，半导体设备行业愈加引起重视，通过对一系列重点工艺和技术进行攻关，有效促进了我国半导体设备行业的发展。目前虽然我国半导体专用设备企业销售规模不断增长，但半导体设备行业仍处于追赶阶段，整体国产化率处于较低水平，许多半导体专用设备仍主要依赖进口，离子注入机就是其中之一。

离子注入机是对半导体表面附近区域进行掺杂的技术，是制作集成电路必不可少的重要工序，离子注入机是半导体晶圆制造设备中的关键设备，高速高功率放大器(电源)是其组成之一，它的技术指标会直接影响整个设备的性能。

许多科研仪器和传感器都需要交流高压驱动(放大)器，它是一种高电压输出的信号发生器，是配合信号源的理想工具，通过相关设备连接，拓展信号源的输入电压幅度范围。如半导体高压驱动、压电材料驱动等方面。目前，市场现有的高压放大器输出峰值电压小于±10 kV。本文研制的高速高压功率放大器，在很大程度上提高了放大器输出峰值电压(40 kV)及额定输出功率(400 W)；在高速、高压、高功率下满足带宽、压摆率等指标参数的要求。

1 高压放大器的设计思路

1.1 放大器的工作类型

根据有源器件的导通情况，通常将放大器分为A、B、C等几种类型[1]：

A类放大器：如图1所示，功率器件导通角为360°，始终处于导通状态，无论有无输入信号，均有电流流过器件。因此A类放大器的效率低，但它具有良好的线性，无交越失真问题。

图1 A类放大器导通角360°

B类放大器：如图2所示，两个功率器件在正、负半个周期轮流导通，导通角为180°，在无输入信号时没有电流流过功率器件。因此效率比A类放大器高，由于两个功率器件轮流导通，所以存在交越失真问题。

图2 B类放大器导通角180°

AB类放大器：如图3所示，AB类放大器介于A类和B类之间，功率器件导通角180°～360°，因此效率高于A类放大器，失真低于B类放大器。

图3 AB类放大器导通角（180～360°）

小信号时2个晶体管同时开，类似于A类放大器;大信号时，每半个周只有一个晶体管工作，类似于B类放大器。

C类放大器：如图4所示，功率器件的导通角小于180°，因此效率较高，失真很大，通常用于射频放大器。

图4 C类放大器导通角小于180°

1.2 高压放大器工作方式的选择

兼顾失真和效率，高压放大器的工作模式选择为AB类，用推挽方式实现，如图5所示。

图5 高压放大器的静态工作点，工作在A类，用推挽方式实现

上、下管Q1、Q2完全相同。当输入信号为0时，激励级产生两个大小相同的基极电流IbQ_Q1和IbQ_Q2，所以上下管Q1、Q2流过相同的静态电流IQ，由于上、下管产生的压降相同，所以输出电压Vout=0 V。

当有信号输入时如图6所示。

图6 当有信号输入时高压放大器的工作

激励级将输入电压变换成两个具有直流分量IbQ_Q1和IbQ_Q2的差分电流信号。当输入信号正半周时Q1的输出电流会上升，而Q2的输出电流会逐渐下降为0，这使得Q1上的压降降低，而Q2上的压降上升，最终负载上的输出电压V输出上升。反之在输入信号负半周时，负载上的输出电压V输出下降。

2 高压放大器的单元构成

高压放大器的单元组成如图7所示。

图7 高压放大器的单元组成

高压放大器的输出经电压取样后与输入信号进行比较，产生的误差信号经误差放大器放大后由激励级驱动放大器输出，实现闭环负反馈控制，使得输出电压能够跟随输入信号，达到稳定输出电压的目的。

放大器设置有输出电流限流控制、输出电流过流触发保护、短路保护及放大器稳定性保护等，并设有输出电流检测、输出电压检测和放大器稳定性检测报警等检测信号。

3 高压放大器的实现

3.1 高压器件的实现

由于需要输出±20 kV的高压，推挽放大器的上、下两个功率管是实现高压放大器的关键。为了提高耐压，功率放大电路以双极型晶体管为主体，由MOSFET和IGBT组成的串联电路来实现，如图8所示。

图8 高压放大器的单元组成

均压是器件串联使用时无法回避的问题，如图8所示由N个单元组成的上管，供电电压为Vcc、输出电压为Vout，则每个单元承受的电压为：

当输出电压变化时，每个单元承受的电压同步变化，每个单元的电压VCELL仍然相同，实现了均压。

3.2 静态工作点

高压放大器的最大输出电流为±20 mA，兼顾失真和效率，将功率器件的静态工作点设置在8 mA处(激励级电路的设计保证放大器的输入电流Ib不会出现负值)，如图9所示。

图9 高压放大器的静态工作点

当输入电压为0时，放大器的静态工作电流为8 mA，上下管电流相同，输出电压为0。当输入电压为正时上管导通电流上升，下管导通电流下降，使得输出电压为正。反之，输入电压为负时，输出电压为负。

3.3 环路稳定性

未补偿时的环路增益Tu(s)可近似为：

其中：

Tu0≈1.91

ωp1≈5.65×104(rad/s)

ωp2≈3.9×106(rad/s)

Q≈1.15

未补偿环路增益的伯德图如图10所示，环路低频增益约5.6 dB，环路穿越频率约15 kHz。

图10 未补偿环路增益的伯德图

为了提高环路带宽，并提高放大器的低频抗干扰能力，补偿器采用滞后超前网络[2]，设置环路带宽为300 kHz、相位裕度60°。补偿网络的传递函数Gc(s)为：

其中：

Gc0≈2.4×106

ωz≈6.21×105(rad/s)

Q2≈0.26

ωp3≈7.32×106(rad/s)

Q3≈0.35

补偿网络的伯德图如图11所示。

图11 补偿网络的伯德图

补偿后的环路增益T(s)约为：

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

补偿后的环路增益的伯德图如图12所示，其穿越频率约为300 kHz，相位裕度约为60°。为了适用不同的负载特性，环路补偿网络的增益设置为在一定范围内可调，并将调节电位器设置在前面板上。

图12 补偿后环路增益的伯德图

4 放大器的结构设计

高压放大器由供电电源、放大器、控制板等单元组成。由于放大器的整机功耗较大，散热是整机结构设计的重点。机箱采用了风冷，在后面板上安装两个风扇，在机箱的两侧靠近前面板各设置一个通风口，便于气流通过放大器的功率单元和高压供电电源，如图13所示。

图13 高压放大器的结构示意图

5 测试结果

输出电压范围：±20kV(额定负载1 MΩ)

压摆率：800 V/μs

大信号带宽(1%失真)：5 kHz

小信号带宽：20 kHz

6 结束语

本文介绍了±20 kV/400 W高压放大器的研制，描述了高压放大器的单元组成、功率器件的结构组成、放大器的动力学特性，以及放大器的环路补偿及其环路稳定性。通过样机的实验测试结果，指标达到了设计要求。