Los transistores de RF de nitruro de galio (GaN) han sido tradicionalmente un modo de agotamiento y difíciles de sesgar. Los transistores de modo de mejora de alta frecuencia, como los FET eGaN de la serie EPC8000 de EPC, han estado ampliamente disponibles desde septiembre de 2013, lo que permite diseños simplificados en frecuencias de RF.
Los transistores de RF de nitruro de galio (GaN) han sido tradicionalmente un modo de agotamiento y difíciles de sesgar. Los transistores de modo de mejora de alta frecuencia, como los FET eGaN de la serie EPC8000 de EPC, han estado ampliamente disponibles desde septiembre de 2013, lo que permite diseños simplificados en frecuencias de RF.
Sorprendentemente, estos FET eGaN comerciales cuestan menos que los transistores LDMOS actuales y superan en muchos aspectos. Los FET eGaN ofrecen una mayor capacidad de voltaje, lo que conduce a una mayor densidad de potencia, una mejor conductividad térmica, una mejor eficiencia de drenaje y una figura de ruido más baja. Esto permite que estos FET se diseñen como dispositivos de RF de banda ancha, lo que permite usar los mismos transistores para diferentes frecuencias y aplicaciones.
En este artículo de Wi GaN, presentamos las características de RF de los dispositivos de la serie EPC8000 y demostramos su implementación en amplificadores de clase A pulsados. A diferencia de los dispositivos de conmutación, como la serie EPC8000, que funcionan bien por encima de los 95 Ω, la disipación de potencia en los dispositivos de RF suele ser del mismo orden que la potencia de RF suministrada, por lo que el amplificador debe poder funcionar dentro de los límites de funcionamiento térmico del dispositivo. pulsado a % eficiencia. Los FET de la serie EPC8000, aunque originalmente se diseñaron para aplicaciones de conversión de potencia de conmutación, han mostrado un excelente rendimiento de RF y, en conclusión, se comparan con LDMOS con especificaciones similares.
Medición de características de RF
La serie EPC8000 se ofrece en un paquete a escala de chip (que se muestra en la Figura 1) que no está diseñado con conexiones de tipo RF. Esto significa que necesitamos construir conexiones de RF que puedan usarse en diseños de amplificadores posteriores.
En la serie de dispositivos EPC8000, el diseño de la interfaz de RF se basa en líneas microstrip. [1] Las medidas se toman desde un plano de referencia que se estrecha en el dispositivo y se conecta a una línea de transmisión de 50 Ω como se muestra en la Figura 2.
Debido al límite térmico y la necesidad de sesgar el dispositivo, implementamos una prueba basada en pulsos para mantener el consumo de energía promedio del dispositivo muy por debajo del límite térmico. En este caso, se aplicó un pulso de 240 μs con una frecuencia de repetición de 10 Hz y se implementó mediante un controlador especialmente diseñado. [4] Esto aseguró que el dispositivo fuera estable y correctamente sesgado en todas las condiciones de prueba. El diseño de las T de polarización del amplificador también debe someterse a pruebas de pulso para garantizar un funcionamiento estable. [5].
Diseño de amplificador clase A
Se midieron y analizaron los parámetros S de todos los dispositivos de la serie EPC8000. [6,7,8,and 9].EPC8009 [10] fue elegido para diseñar un amplificador clase A de 500 MHz. Esto se debe a que tiene la ganancia más alta de cualquier diseño factible, tiene una capacidad nominal de 65 V y tiene un amplio rango dinámico. El análisis revela que el dispositivo es bidireccional y condicionalmente estable a 500 MHz.Para diseñar un amplificador estable, métodos de ganancia disponibles [11] Da una salida igualada y se usó para reducir la energía reflejada de la salida que podría desestabilizar la puerta.
Se eligió una ganancia de 200 = 23 dB en función de los parámetros S y los criterios de estabilidad. [12] Y obtuvimos los siguientes coeficientes de reflexión de diseño que se usaron para completar el diseño:
ΓS = -0.604 -0.167 i
ΓL = -0.557 +0.458 i
Se agregó una línea de transmisión corta de 50 Ω a la compuerta y las conexiones de drenaje para acomodar el pequeño disipador de calor. Los efectos de las líneas de transmisión y los tees de polarización se compensaron en el diseño de la red correspondiente. Se eligió una red de adaptación de filtro de paso alto porque la ganancia del dispositivo es alta a bajas frecuencias, lo que puede generar problemas de estabilidad y tiene el beneficio adicional del bloqueo de CC inherente al circuito de polarización. En la Figura 3 se muestra un esquema completo de un amplificador Clase A.
Resultado experimental
Como se muestra en la Figura 4, construimos un amplificador de clase A experimental y lo conectamos al controlador de pulsos para realizar pruebas.
El amplificador se probó para determinar el punto de compresión de 1dB que se muestra en la Figura 5 para dos condiciones de polarización de corriente.
Como se muestra en la Figura 6, con una corriente de polarización de drenaje de 500 mA, el amplificador tiene un punto de compresión de 1 dB a una potencia de salida de 40,6 dBm (11,6 W), una ganancia de potencia de 20,6 dB y una eficiencia de drenaje de 57,4 %. . A 250 mA, el amplificador se comprime 1 dB con una potencia de salida de 38,4 dBm (6,96 W). La ganancia de potencia es de 19,3 dB y la eficiencia de drenaje es del 45,9%.
Comparación con LDMOS
El rendimiento de RF de los FET eGaN ahora se puede comparar con los FET LDMOS de última generación con características similares. Dado que los FET de eGaN no son dispositivos de RF, la comparación se centrará en las diferencias con respecto al diseño de RF. Las características a comparar son la ganancia de potencia, la linealidad (compresión de 1dB) y la eficiencia de drenaje. Los dispositivos LDMOS elegidos fueron el PD55015-E de ST y el MRF1518N de Freescale, ambos con capacidades de potencia similares a 500 MHz. Los datos comparativos para GaN FET y LDMOS FET se muestran en la Tabla 1.
La Tabla 1 muestra que el EPC8009 tiene mayor ganancia que cualquier dispositivo LDMOS, mayor potencia de polarización y funciona a voltajes más altos con una eficiencia de drenaje comparable, aunque no está sintonizado internamente para funcionar a 500 MHz. Indica que Además, la capacitancia del EPC8009 es mucho más baja que cualquier FET LDMOS, lo que garantiza una transformación de impedancia menos coincidente.
resumen
Se presentó un diseño de amplificador de RF de clase A de pulso que utiliza el EPC8009 eGaN FET. Construimos el amplificador, lo probamos e hicimos varias mediciones para confirmar su rendimiento de potencia de RF. El FET eGaN EPC8009 se diseñó originalmente como un dispositivo de conmutación de alta frecuencia, pero también muestra un excelente rendimiento de RF con una ganancia estable de más de 20 dB y una eficiencia de drenaje cercana al 60 % en un punto de compresión de 1 dB. Aunque el EPC8009 no está sintonizado internamente para operar a 500 MHz, supera a los dispositivos LDMOS comerciales e incluso puede reducir la transformación de adaptación de impedancia debido a su menor capacitancia. La clasificación de voltaje más alta de los FET eGaN también aumentó el punto de compresión en 1dB sobre los dispositivos LDMOS.
eGaN® FET es una marca registrada de Efficient Power Conversion Corporation.
Referencias
[1] IJ Bahl, DK Trivedi, “Guía para diseñadores de líneas Microstrip”, Microwaves, mayo de 1977, págs. 174-182.
[2] GF Engen, CA Hoer, “Thru-Reflect-Line: An Improvement Technique for Calibrating the Dual Six-Port Automatic Network Analyzer”, IEEE Trans. Teoría y tecnología de microondas, diciembre de 1979.
[3] J. Fleury, O. Bernard, “Diseño y caracterización de estándares de calibración de dispositivos TRL para el modelado de dispositivos Aplicación de microondas e inalámbrica Nota técnica 13, 2001, ISSN 1075-0207, pág. 26 – 55.
[4] MA de Rooij, JT Strydom, “Métodos de control de polarización para amplificadores de RF de potencia de clase A”, patente pendiente, septiembre de 2013.
[5] C. Baylis, L. Dunleavy, W. Clausen, “Posificación pulsada usando modelos de componentes precisos, diseño de T de polarización para sistemas de prueba de RF pulsada”, Microwave Journal, Vol. 49, No. 10, octubre de 2006. , página. 68-75.
[6] MD Hodge, R. Vetury, J. Shealy, R. Adams, “A Robust AlGaN/GaN HEMT Technology for RF Switching Applications”, Simposio IEEE sobre circuitos integrados de semiconductores compuestos (CSICS), octubre de 2011, págs. 1 a 4.
[7] DM Pozar, “Ingeniería de microondas”, Tercera edición 2005, J. Wiley ISBN 0-471-44878-8
[8] G. Gonzales, “Amplificadores de transistores de microondas”, 2.ª edición 1997, Prentice Hall ISBN 0-13-254335-4
[9] RC Hejhall, “Diseño de señal pequeña de RF con parámetros de dos puertos”, Nota de aplicación de Motorola AN215A, 1993.
[10] conversión de energía eficiente, Hoja de datos de EPC8009,
[11] K. Payne, “Diseño práctico de amplificadores de RF utilizando procedimientos de ganancia disponibles y capacidades de cosimulación de circuitos/EM de sistemas de diseño avanzados” Documentos técnicos de Agilent Technologies 5990-3356ES, 2008
[12] JM Rollett, “Estabilidad lineal de dos puertos e invariantes de ganancia de potencia”, IRE Transactions on Circuit Theory, Vol. 9, número 1, marzo de 1962, páginas 29-32.
[13] SJ Orphanidisondas electromagnéticas y antenas,”