Мощные LDMOS - транзисторы: преимущества и области применения

Компоненты и технологии, № 2'2002 Компоненты

Мощные LDMOS-транзисторы:

преимущества и области применения

В данной статье описываются преимущества использования LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductors) усилителей на примере использования подобных приборов от Philips Semiconductor в мощных авиационных транспондерах. Если сравнивать устройства, выполненные по технологии LDMOS, с устройствами, выполненными по биполярной технологии, по таким важным характеристикам, как усиление, линейность, тепловые режимы, переключающие свойства, число элементов схемы, сразу становится очевидным преимущество первых.

Станислав Дидилев

sd@may.ru

Под крылом самолета

В результате непрерывного роста числа авиаперевозок увеличиваются требования к безопасности и эффективности аппаратуры управления авиаперевозками, что, соответственно, влияет на конструкцию транспондеров. Традиционные наземные системы управления авиационным движением легко обеспечивают безопасный взлет и посадку самолетов, однако не могут справиться с обработкой данных в реальном времени, необходимой для систем предотвращения столкновений воздушных судов (traffic collision avoidance systems — TCAS). Находясь на борту каждого военного или гражданского самолета, транспондеры обмениваются информацией о координатах воздушного судна, его скорости и высоте полета с другими самолетами, находящимися в

данном районе. Данные, предоставляемые транспондерами, помогают пилотам безопасно прокладывать свой путь. Кроме того, экипажам в этом помогают многие другие системы: погодные радары, системы измерения дальности, системы навигации и связи.

В то время как число систем обеспечения безопасности полета растет, фактор минимизации размеров начинает играть главную роль при решении задачи размещения большого числа аппаратуры в ограниченном объеме. В связи с тем, что ТСЛв использует тот же самый диапазон частот, что и другие системы обеспечения безопасности полета, объединение нескольких сходных по назначению блоков в один стало наиболее часто применяемым конструкторским решением. Применение подобного решения позволяет снизить размер и массу оборудования. Упрощается процесс установки оборудования и его обслуживание. Также уменьшается количество источников питания и соответствующих цепей, увеличивается эффективность работы устройства. Использование одного универсального устройства позволяет снизить затраты на покупку, установку и обслуживание.

При работе с несколькими несущими частотами важно сохранение хорошей формы импульса сигнала. Здесь начинают играть роль такие факторы, как переходные процессы, линейность, компрессия сигнала. Иногда применяют пониженное напряжение питания для увеличения эффективности работы устройства и уменьшения тепловыделения. Данная статья освещает новые приборы, выполненные по технологии ЬБМ08 (ЬБМОвТ), применение которых резко улучшает характеристики микроволновых усилителей мощности, установленных в транспондерах системы ТСЛ8. Мы сравним усилитель мощности, выполненный на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой и работающим в классе «С», с усилителем, выполненным по ЬБМОв-технологии.

Хотя ЬБМ08-технология изначально создавалась для применения в приборах базовых станций сетей

Компоненты и технологии, № 2'2002

GSM и PCS, ее небольшое изменение позволило использовать ее также и в авиации.

Характеристики устройства

До настоящего момента усилители разрабатывались на биполярных транзисторах, что влекло за собой множество проблем. Одним из основных требований, предъявляемых к усилителю, является стабильность усиления в рабочем диапазоне частот. Типичная зависимость выходной мощности от входной у 200-ваттного биполярного транзистора для авиационного применения представлена на рис. 1. Легко заметить, что усиление транзистора изменяется в зависимости от мощности входного сигнала. Очевидно, что использование подобного транзистора скажется отрицательным образом на качестве всего прибора в целом.

Прибор, построенный на основе LDMOS-транзистора, не имеет подобных недостатков. Вообще приборы подобного класса показывают хорошую линейность в широком динамическом диапазоне. Рис. 2 показывает зависимость усиления и эффективности работы прибора от выходной мощности. Как видно из этого графика, LDMOS-транзистор при мощности 200 Вт далек от насыщения, динамический диапазон составляет более 30 дБ. Более того, усиление транзистора составляет 14 дБ по сравнению с 8 дБ у биполярного транзистора. Применение подобного прибора позволило уменьшить число компонентов схемы усилителя и уменьшить площадь его печатной платы.

Технология LDMOS обладает еще одним важным преимуществом — отличной термостабильностью, которая достигается за счет отрицательного температурного коэффициента, обусловленного технологией изготовления кристалла. Перегрев не столь критичен для этих приборов. Прекрасная выносливость устройства (КСВ < 6) может быть достигнута благодаря высокому напряжению пробоя (около 80 В). Следует также отметить чрезвычайно высокое прогнозируемое время безотказной работы (MTBF) подобных приборов — от 2600 до 4800 лет при температуре 130 °С и более 1700 лет при температуре 200 °С, что существенно выше, чем у приборов, выполненных по биполярной и традиционной MOS-технологии. Кроме того, управление усилением в LDMOS (путем изменения напряжения между затвором и истоком) аналогично управлению усилением в биполярном транзисторе. На рис. 3 представлена зависимость выходной мощности усилителя от напряжения затвор— исток. Конструкция прибора не содержит токсичного оксида бериллия (BeO). При отсутствии изолятора из оксида бериллия вывод истока на кристалле соединяется напрямую с теплоотводящим радиатором, что снижает тепловое сопротивление.

Как видно из рис. 4, линейность усилителя зависит от тока покоя. Две зависимости показывают усиление транзистора при двух различных значениях тока покоя: 500 мА и 2 А. Выставляя большее значение тока покоя, мы заставляем усилитель работать в классе «А».

—Эффективность------Усиление

100 Р out

Рис. 2. Зависимость усиления и эффективности работы LDMOS-устройства от выходной мощности при значении тока в рабочей точке 150 мА

Компоненты и технологии, № 2'2002

Позиция на кристалле

Рис. 6. Распределение температуры по поверхности кристалла. Корпус — SOT 502, рассеиваемая мощность -250 Вт, температура окружающей среды — 20 °C

Рис. 7. Разрез типичной LDMOS-структуры

Следовательно, максимально достижимая эффективность будет меньше. Подобный режим работы оправдывает себя только при низких значениях выходной мощности. При более высоких значениях выходной мощности необходимо использовать режим «AB». Таким образом, изменяя напряжение между затвором и истоком, можно достичь компромисса между выходной мощностью, линейностью и эффективностью работы усилителя. При создании усилителя большой мощности это значит, что его линейность не ухудшится, так как устройство будет работать с компрессированным сигналом.

Рис. 5 показывает, что прибор обладает очень хорошим временем переключения при сохранении усиления и линейности в широком динамическом диапазоне. По этому графику легко заметить, что время переключения на выходе увеличилось незначительно по сравнению с входным временем переключения. Время переключения составляет менее 50 нс при выходной мощности порядка 52,4 дБм. Очевидно, что помимо всех вышеупомянутых факторов схемотехническое решение усилителя влияет на качество его работы, однако в любом случае необходимо предусмотреть хорошую развязку по низкой частоте. В биполярной же технологии быстрое время переключения при больших выходных мощностях труднодостижимо, что является особенностью этой технологии.

Надежность и тепловые характеристики

Важным преимуществом LDMOS-технологии по сравнению с биполярной является то, что полевой транзистор включен по схеме с общим истоком (исток соединен с землей). Такое включение уменьшает паразитную индуктивность истока и позволяет создать в транзисторе лучшие условия для отвода тепла. В биполярном же транзисторе большинство кремния занимает область коллектора, которая должна быть электрически изолирована от земли (радиатора), что затрудняет отвод тепла.

На рис. 6 показано распределение температуры по кристаллу транзистора при использовании последнего в режиме усиления ВЧ-сигнала. Как видно из графика, температура распределяется по кристаллу достаточно равномерно, что обусловлено качественным процессом сборки транзистора (особенно важны операции крепления и разварки соединительных проводников на кристалле).

Технология кристалла

Рис. 7 показывает разрез типичной LDMOS-структуры. Слой P+ служит для создания хорошего электрического контакта между истоком и землей. При этом отпадает надобность в использовании соединительных проводников, уменьшается индуктивность затвора и увеличивается усиление транзистора. Между затвором и стоком помещен экранирующий слой, уменьшающий емкость цепи обратной связи. Технология изготовления кристалла основана на одногигагерцовой технологии Philips, адаптированной для использования в авиационных применениях, требующих высокой ли- www.finestreet.ru-----------------------

Компоненты и технологии, № 2'2002

нейности усилителя при большом динамическом диапазоне.

Моно MOS-структура — отдельные активные области, содержащие в себе традиционные ВЧ-кристаллы (транзисторы), заменяются одной сложной областью, содержащей в себе всю схему. При этом упрощается согласование входа и выхода линейки усилителей. Такая структура обеспечивает минимальный дрейф тока в рабочей точке (Idq). Без проведения предварительного процесса приработки типичное значение дрейфа тока рабочей точки составляет менее 10 % за 20 лет. Золотая металлизация контактных областей кристалла и золотые контактные проводники обеспечивают отсутствие нежелательных эффектов на границе соединения двух металлов, а также надежность выполнения этого соединения при разварке выводов. По результатам использования подобных усилителей в базовых станциях такая конструкция доказала свою высокую надежность. Для снижения стоимости прибора кристалл корпуси-руется в негерметичный готовый корпус.

Блоксхема усилителя на приборе BLA1011-200

Применение

Блок-схема усилителя на приборе Philips BLA1011-200 мощностью 200 Вт, использующего технологию LDMOS, изображена на рис. 8. Общее усиление в 46 дБ достигается использованием трех каскадов усиления. Такой же по мощности усилитель на биполярных транзисторах состоял бы из 6 каскадов. Схема усилителя содержит внутренние согласующие цепи на входе и выходе, что упрощает разработку внешних согласующих цепей. Высокий импеданс позволяет снизить требования к точности размещения компонентов и расширить допуски параметров печатной платы. Сокращается время на окончательную настройку усилителя.

LDMOS-усилители используются не только в авиационном приборостроении. Их можно встретить в усилителях базовых станций

Таблица 1. LDMOS-транзисторы Philips Semiconductors

Type number Package Gp, Дб PL, Вт DESCRIPTION Frequency, МГц VDS, В tp

BLA1011-10 SOT467 18 10 Avionics LDMOS RF POWER Transistor 1030 - 1090 50

BLA1011-2 SOT538 18 2 Avionics LDMOS RF POWER Transistor 1030 - 1090 50

BLA1011-200 S0T502A (LDMOST) 15 200 Avionics LDMOS RF POWER Transistor 1030 - 1090 50

BLF1043 S0T538A >16 10 UHF power LDMOS transistor 26

BLF1046 S0T467C (LDMOST) 16 45 UHF power LDMOS transistor 900 - 960 26

BLF1047 S0T541 A (LDMOST) >14 70 UHF power LDMOS transistor 26

BLF 1820-40 SOT608 13 40 UHF power LDMOS transistor 1800 - 2000 26

BLF 1820-70 SOT502 12 65 UHF power LDMOS transistor 1800 - 2000 26

BLF 1820-90 SOT502 12 90 UHF power LDMOS transistor 1800 - 2000 26

BLF1822-10 SOT467C (LDMOST) 13 10 UHF power LDMOS transistor 1800 - 2200 26

BLF2022-120 SOT539 12 120/12avg (W-CDMA) UHF power LDMOS transistor 2000 - 2200 28

BLF2022-40 SOT608 11 40 / 7 avg (W-CDMA) UHF power LDMOS transistor 2000 - 2200 28

BLF2022-70 SOT502 12,5 65/10avg (W-CDMA) UHF power LDMOS transistor 2000 - 2200 28

BLF2022-90 SOT502A (LDMOST) 12,5 90/13avg (W-CDMA) UHF power LDMOS transistor 2000 - 2200 28

BLF2043 SOT538A >12 10 UHF power LDMOS transistor

BLF2043F SOT467 >12 10 UHF power LDMOS transistor

BLF2045 SOT467C (LDMOST) >10 30 UHF power LDMOS transistor

BLF2048 SOT539A (LDMOST) >10 120 UHF push-pull power LDMOS transistor

BLF647 SOT540A (LDMOST) 16 150 LDMOS RF Power transistor for TV transmitters 0 - 600 32

BLF861A SOT540A (LDMOST) >14 150 LDMOS RF Power transistor for TV transmitters 860 32

Таблица 2. Транзисторы Philips Semiconductors миллиметрового диапазона для радаров

f, МГц Vcc, В tp, С @, % Мощность в Vcc , КПД, Керамический корпус

ВТ В SOT422A SOT423A SOT439A SOT443A SOT445C

L-диапазон

1,2-1,4 50 150 5 > 35 > 7 >30 RZ1214B35Y

1,2-1,4 50 150 5 > 70 > 7 >35 RZ1214B65Y

1,2-1,4 50 150 5 > 130 > 7 >35 RX1214B130Y

1,2-1,4 50 150 5 > 250 > 7 >35 RX1214B300Y

1,2-1,4 50 130 6 280 > 7 >40 RX1214B350Y

1 S-диапазон

2,7-3,1 40 100 10 > 20 typ. 8 typ. 40 BLS2731-20

2,7-3,1 40 100 10 > 50 typ. 8 typ. 40 BLS2731-50

2,7-3,1 40 100 10 >110 typ.75 typ. 40 BLS2731-110

-е-

Таблица 3. Мощные импульсные транзисторы для авиаци

f (MHz) Vcc, В tp, С @, % Мощность Vcc, В КПД, % Керамический корпус

SOT439A SOT440A SOT443A SOT448A

0,96-1,215 50 10 10 >50 >7 >42 MZ0912B50Y

0,96-1,215 50 10 10 >100 >7 >42 MZ0912B100Y

0,96-1,215 50 10 10 >235 >7 >42 MX0912B251Y

0,96-1,215 50 10 10 >325 >7 >40 MX0912B351Y

1,09 50 10 1 200 >7.5 >45 MX1011B200Y

1,09 50 10 1 650 >6 >48 MX1011B700Y

Gp=16дБ

7 дБм

бр=16дБ

Gp=14дБ

23 дБм

39 дБм

53 дБм

Gp = 46 дБ

Рис. 8. Блок-схема усилителя на приборе BLA1011-200

сетей сотовой связи, в передатчиках пейджинговой связи, в оконечных каскадах радиорелейных станций. Ниже приведен список некоторых LDMOS-приборов, а также данные по биполярным транзисторам аналогичного применения, выпускаемых Philips.

Выводы

Как было продемонстрировано выше, использование LDMOS-транзисторов значительно упрощает конструкцию усилителей и улуч-

Компоненты и технологии, № 2'2002

шает их характеристики. Транспондеры, использующие технологию ЬБМ08, обладают отличной линейностью усиления в широком динамическом диапазоне, позволяют легко управлять усилением (путем изменения напряжения затвора ЬБМ08-транзистора), а также обеспечивают нулевую задержку от входа до выхода в режиме переключения. Дополнитель-

ными преимуществами подобной технологии являются хорошие тепловые характеристики приборов, отсутствие токсичных компонентов и небольшое число элементов «обвязки». Хорошая технологичность прибора позволяет снизить его стоимость при массовом производстве и таким образом сделать его, еще более привлекательным для потребителя.

Литература

Hans Mollee, Steven O’Shea, Paul Wilson and Korne Vennema. High Power RF LDMOS Transistors for Avionics Applications. // Microwave Journal 2000.