Рекомендации по подаче питания на СВЧ усилители (перевод)

От переводчика

Я разрабатываю различные устройства СВЧ, в том числе усилители и усилительные модули. Файл с этим руководством я обнаружила, когда смотрела разные документы к одному из усилителей Qorvo, который собиралась использовать в своём следующем проекте.

Рекомендации могут быть полезны не только при работе с усилителями на основе GaN, но также содержат некоторые тонкости, полезные для любых микросхем.

Рекомендую прочесть эту небольшую статью всем, кто работает с транзисторными усилителями, ведь цена ошибки может достигать 100 тысяч рублей.

Перевод не спонсирован. пп - примечания переводчика. Автор этого перевода leka_engineer , ищите меня на Хабре и в Инстаграме

Вступление

Этот документ предоставляет общую информацию о цепях подачи питания на GaN транзисторы. Есть множество подходов к проектированию цепей подачи питания на нитридные транзисторы, которые могут быть направлены на различные цели: оптимизация работы усилителя, снижение цены, уменьшение размера, а также снижение сложности сборки. Этот документ лишь подчёркивает минимальные требования к разработке цепей подачи питания, чтобы предотвратить непреднамеренные случаи порчи транзистора в связи с неправильной подачей питания. Если вам необходима помощь, вы можете обратиться в техническую поддержку по применению Qorvo.

Рекомендуем к просмотру видео "Туториал: как подать питание на GaN транзистор" (на англ).

Последовательность подачи питания

GaN усилители Qorvo - полупроводниковые устройства с встроенным каналом (пп: то есть он как бы всегда "включён"), именно поэтому они всегда требуют наличие отрицательного смещения на затворе, когда на стоке есть напряжение, чтобы избежать повреждения.

иллюстрация от переводчика

взяла картинку отсюда

Если напряжение затвора равно нулю и при этом будет подано напряжение на сток, через транзистор начнёт протекать очень высокий ток, который вызовет сильный разогрев, который, в свою очередь, немедленно выведет из строя транзистор. Пользователю следует всегда быть уверенным (программно или аппаратно), что на затвор подано отрицательное смещение всегда, когда есть напряжение на стоке. Также стоит помнить о блокировочных конденсаторах, которые разряжаются не мгновенно, а какое-то время после снятия напряжения со стока.

В таблице ниже показана последовательность включения и выключения GaN усилителя (на примере Qorvo QPD1004).

пп: * лучше больше времени подождать. Сток-общий контакт, то есть земля. Позволю себе добавить скриншот из видео Qorvo:

Настройка тока

Пользователь должен настроить ток покоя стока, изменяя напряжение затвора (пп: тут можно обратится к картинке выше - логично, что для увеличения тока стока необходимо увеличивать напряжение на затворе, то есть от -4 В изменять до -3 В, -2,5 В и так далее). Вследствие того, что порог у каждого транзистора различается, Qorvo рекомендует аккуратно настраивать напряжение затвора на каждом устройстве, чтобы добиться одинаковой величины тока покоя в каждом компоненте. Если на все компоненты подавать фиксированное отрицательное смещение затвора, это приведёт к разбросу значений протекающего тока Id покоя из-за разброса параметров при производстве. Случай фиксированного напряжения на затворе может повлечь вариации тока стока на разных транзисторах от его полного отсутствия до очень высокого. Слишком низкий ток покоя может повлечь ухудшение СВЧ параметров, а слишком высокий кроме ухудшения СВЧ параметров может ещё и повредить устройство из-за перегрева.

Разработчик платы (устройства) может обращаться к даташиту за рекомендациями по проектированию цепей фильтрации и по подаче питания. Но у разработчика есть свобода изменять цепи фильтрации для оптимизации разных критериев. Настройка тока покоя влияет на усиление, КПД, линейность и стабильность. Цепи питания должны быть оптимизированы так, чтобы найти наилучшее соотношение этих параметров. В случае, когда разработчик решает заменить рекомендованные в даташите цепи питания на свои, ему следует проверить тепловой режим транзистора, а также не превышается ли максимальное напряжение питания.

Температура окружающей среды (пп: это не всегда температура в комнате, если транзистор в модуле, там могут быть другие тепловыделяющие элементы) влияет на пороговое напряжение, что будет приводить к изменению тока стока при условии постоянного значения напряжения затвора. Пример изменения тока стока покоя от температуры при условии фиксированного напряжения затвора показан на графике:

Если техническое задание требует применения в широком температурном диапазоне и работы в линейном режиме (для чего требуется сохранение постоянства тока), необходимо изменять напряжение затвора. Пример, как следует изменять напряжение затвора для сохранения постоянным ток стока покоя показан на графике:

Проектирование цепей фильтрации

При проектировании цепей фильтрации для усилителей на основе GaN транзисторов следует обратить внимание на несколько очень важных аспектов, чтобы устройство работало корректно и не было бы нечаянно повреждено. Цепи питания, которые соединяют источники питания с радио- или СВЧ-волновым продуктом должны быть хорошо развязаны. Применение блокировочных конденсаторов не только отфильтровывает нежелательные пульсации и шум источника, но также служат накопителями заряда. Кроме того блокировочные конденсаторы компенсируют негативное влияние индуктивности проводов (от источника к плате). Также следует помнить о стабильности при проектировании цепей фильтрации. Цепи подачи питания взаимодействуют с устройством и это может негативно повлиять на стабильность. Частотные свойства блокировочных конденсаторов могут искажать основные параметры усилителя и влиять на его стабильность, поэтому разработчики часто искусственно уменьшают добротность конденсатора добавляя к нему резистор последовательно. (пп: есть термин устойчивость - он закладывается при проектировании кристалла усилителя, обозначается буквой К, термин stability не имеет перевода на русский, но я пишу стабильность, так как это по смыслу верно. Цепи фильтрации при неправильном проектировании действительно могут повлечь разные негативные эффекты типа "гудения", самовозбуждения, паразитных составляющих в спектре и т.п., даже при условии, что сама микросхема усилителя имеет К>1)

Последовательно включённое сопротивление в цепи затвора необходимо для всех GaN усилителей мощности на основе дискретного полевого транзистора, обычно значение сопротивления резистора лежит от 5 до 10 Ом для обеспечения стабильной работы. Добавление последовательного сопротивления также может иметь негативное влияние на параметры усилителя, так что не стоит выбирать сильно большой номинал. На картинке ниже показан пример схемы для усилителя Qorvo QPD1020. Микросхемы усилителей часто имеют встроенное сопротивление на кристалле, так что на плате его ставить не нужно (пп: на картинку нужно ткнуть, чтобы увеличить).

Рекомендуемые компоненты для фильтрации и топология площадок микросхемы даны в даташитах на каждое нитридное устройство. Количество, номиналы и положение фильтрующих (блокировочных) компонентов было разработано, а затем подтверждено измерениями инженерами Qorvo. Другие вариации фильтрующих компонентов также возможны, в соответствии с задачами и условиями. Если вы хотите использовать свою топологию или схему фильтрации, вам следует приложить усердие и аккуратно всё проверить и убедиться, что устройство работает, как надо (СВЧ параметры, линейность, поведение в диапазоне температур, стабильность и т.д.) в том числе при всех возможных условиях предполагаемой эксплуатации.

Ток затвора

Схема подачи питания должна быть спроектирована так, чтобы соответствовать току затвора. Также источник питания тоже должен соответствовать режиму тока затвора. Ток утечки в цепи затвора протекает через всё устройство и попадает в схему подачи питания. На высоких уровнях мощности ток затвора будет протекать в устройство из-за выпрямления СВЧ аналогового сигнала диодом на затворе (пп: имеется ввиду эффект выпрямления СВЧ тока на затворе транзистора). Величина тока утечки зависит от величины устройства. На более высокой мощности или в большем транзисторе будет иметь более высокий ток утечки в цепи затвора по сравнению с более маленькими транзисторами. Тестирование утечки на небольшой выборке устройств не позволяет дать рекомендации по ограничению этого тока. Вместо этого, стоит соблюдать рекомендации даташита, или связаться с инженером по применению, чтобы ограничить ток утечки по цепи затвора при проектировании цепей подачи питания.

Если в цепях подачи питания будет большое эквивалентное сопротивление, а ток утечки по цепи затвора повлечёт падение напряжения на резисторе, это изменит напряжение на затворе транзистора. Если это падение будет значительным, ток стока покоя может значительно увеличиться, что может повредить устройство из-за перегрева. Максимальные пределы тока утечки по цепи затвора исчисляются миллиамперами (мА). Например, если ток утечки по цепи затвора равен -1 мА и в этой цепи установлен резистор сопротивлением 1 кОм последовательно, падение напряжения будет 1 В. Это может повлечь серьёзные последствия, ведь при установке напряжения инженер получит на 1 В больше ожидаемого напряжения затвора. Поэтому, стоит выбирать последовательный резистор в цепь по затвору минимального номинала. В идеале, последовательное сопротивление в цепи питания по затвору должно быть достаточно большое для стабильности GaN транзистора по СВЧ (причём с запасом), но при этом всё же небольшое, чтобы не нарушить положение рабочей точки. Стабильность активных компонентов в цепях питания тоже стоит брать в расчёт при проектировании усилителя. Активные элементы схемы возможно будут требовать специфическую нагрузку, чтобы оставаться стабильными. Так что схема цепей питания и стабильность нитридного усилителя должны проектироваться (анализироваться) совместно.

Прямой ток затвора, который появляется на высоких уровнях мощности, также должен быть принят во внимание при проектировании. Активные элементы в схеме питания должны быть способны поддерживать уровень среднеквадратичного прямого ток. Фильтрующие (накопительные) конденсаторы могут быть использованы для поддержания тока затвора во время пикового значения мощности при импульсном или модулированном применении. Ток затвора увеличивается при увеличении входной мощности. Наихудшими условиями являются холодные температуры. Для определения оптимального номинала резистора в цепи питания с активными элементами, должны быть определены в условиях самой холодной возможной температуры и самой высокой мощности.

Дисклеймер

Информация, содержащаяся в данных рекомендациях считается правдивой. Qorvo не даёт гарантий и не несёт ответственности за информацию, содержащуюся здесь. Вся информация может быть изменена без предварительного предупреждения. Покупателям следует самим проверять актуальную информацию. Продукты Qorvo не гарантированы для применений в качестве критических в медицине, спасательных устройствах и др. применениях, где отказ может повлечь жертвы.