Опыт применения GaN-транзисторов L-диапазона от Microsemi

В последнее время рынок полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия (GaN) готов буквально взорваться. Это связано с тем, что такие приборы заняли прочные позиции во всех областях, начиная от мощной военной техники и заканчивая коммерческими системами связи. Хотя в настоящее время технология LDMOS все еще доминирует и имеет самую большую долю как на рынке инфраструктуры связи, так и на рынках индустриального оборудования. В настоящее время все крутится вокруг вопроса стоимости, и для большинства приложений, кажется, это осталось последним преимуществом, говорящим в пользу LDMOS. Однако есть все предпосылки к тому, что вопрос цены будет решен уже в ближайшее время. Такой оптимистичный прогноз связан с тем, что устройства на основе GaN имеют характеристики не хуже, а иногда и лучше, чем у приборов, сконструированных по технологии LDMOS, и при этом они обладают рядом неоспоримых преимуществ. К тому же технология становится все более массовой и отработанной.

Приступая к обзору GaN-транзис­­­торов Microsemi DC35GN‑15‑Q4 и 0912GN‑650, отметим общие преимущества нитрид-галлиевой технологии. В первую очередь, это высокое пробивное напряжение «сток–исток», а также высокая подвижность электронов, позволяющая развивать нитридным транзисторам высокую удельную плотность мощности, примерно 5 Вт/мм против 1 Вт/мм для арсенид-галлиевых (GaAs) структур и 0,3 Вт/мм для кремниевых (Si). Исходя из этого, согласование такого транзистора значительно проще, ведь при той же выходной мощности длина затвора у нитридного транзистора в пять раз меньше.

Также немаловажными являются температурные характеристики прибора, и здесь снова лидерство за GaN-технологией. Так, например, для транзистора Microsemi 0912GN‑650 максимальная допустимая температура перехода +250 °C, тогда как для подобного Si-транзистора Integra IB0912M500 — +200 °C.

Однако при работе с GaN-транзисторами следует учитывать следующие особенности.

Во‑первых, GaN-транзисторы — это приборы, работающие в обедненном режиме, следовательно, для их нормальной работы необходимо отрицательное смещение. Поэтому особенно важно помнить о правильной последовательности подачи напряжения смещения и питания на такой прибор. На рис. 1 приведена типичная характеристика для данного типа транзисторов.

Рис. 1. Зависимость тока стока покоя от приложенного отрицательного напряжения затвор – исток

Широкополосный GaN-транзистор DC35GN‑15‑Q4

Транзистор DC35GN‑15‑Q4 выполнен по технологии GaN on SiC HEMT и позволяет работать в классе AB в импульсном и непрерывном режимах. Его основные особенности:

• возможность работы в качестве драйвера в диапазоне частот DC–3,5 ГГц;
• хорошо подходит для импульсных радиолокаторов, авионики, промышленных, научных и медицинских целей, связи;
• выходная мощность 15 Вт в импульсном и непрерывном режимах, при коэффициенте усиления 18 дБ (на частоте 1400 МГц);
• недорогой корпус QFN с хорошими радиочастотными и температурными характеристиками;
• напряжение питания 50 В;
• простота согласования.

В данной статье транзистор будет рассматриваться в частотном диапазоне 960–1215 МГц, согласование выполнено практически полностью сосредоточенными элементами по перечню производителя.

Рис. 2. Выходная пиковая мощность на частоте 960 МГц (22,821 Вт). Udrain = 50 В; Ugate = –3,33 В; Pin = 25 дБм (320 мВт)

На рис. 2, 3 и 4 приведены измеренные характеристики транзистора.

Рис. 3. Выходная пиковая мощность на частоте 1090 МГц (21,921 Вт). Udrain = 50 В; Ugate = –3,33 В; Pin = 25 дБм (320 мВт)

На вход транзистора подавался модулированный импульсный ВЧ-сигнал длительностью 400 мкс и периодом 1 мс. Напряжение на сток и затвор подавалось постоянно.

Рис. 4. Выходная пиковая мощность на частоте 1215 МГц (23,525 Вт) Udrain = 50 В; Ugate = –3,33 В; Pin = 25 дБм (320 мВт)

Очевидно, что такой режим является не очень эффективным с точки зрения потребления мощности источника питания — 0,04 А × 50 В = 2 Вт рассеиваемой мощности только от начального тока стока. Рано или поздно разработчику придется думать о том, как обеспечить тепловой режим работы транзистора, а также поднять КПД системы в целом.

Для этого необходимо управлять транзистором во время работы, то есть выключать прибор на время периода сигнала. На первый взгляд, есть два электрода, которыми можно управлять. Это затвор и сток. Рассмотрим эти варианты.

Управление затвором

 Из спецификации известно, что напряжение на затворе может быть от 0 до –8 В. Руководствуясь графиком на рис. 1, найдем напряжение затвора, которое обеспечит нам необходимый начальный ток стока: –3,33 В. Далее будем модулировать затвор импульсами напряжением от –3,33 до –8 В. С точки зрения постоянного тока, транзистор закрыт. Через «сток–исток» протекает незначительный ток утечки. Но с точки зрения ВЧ, транзистор не закрывается.

При максимальном допустимом напряжении –8 В транзистор имеет коэффициент усиления порядка 2 дБ.

Трудно рекомендовать разработчикам модулировать такие транзисторы по затвору. График на рис. 5 показывает, что можно получить лучшую изоляцию, приложив большее отрицательное напряжение. При напряжении –10 В изоляция составляет порядка 25 дБ.

Рис. 5. Зависимость выходной мощности от напряжения затвор-исток

Управление стоком

 В управлении стоком есть свои особенности. К преимуществам можно отнести то, что при таком виде модуляции у транзистора нет тока утечки, и с изоляцией дело обстоит несколько лучше. Но есть и обратная сторона: известно, что GaN-транзисторы могут оказываться неустойчивыми при низких напряжениях «сток–исток». Наиболее часто такая проблема возникает, если фронт и спад модулирующего импульса достаточно пологие (треугольник, трапеция).

Рис. 6. Зависимость выходной мощности от напряжения сток-исток

На рис. 6 приведена характеристика выходной мощности от напряжения «сток–исток» на частоте 1 ГГц при статичном напряжении на затворе –3,33 В, входная мощность также не менялась и составляла 320 мВт (импульс 400 мкс с фронтами порядка 100 нс). Характеристика ниже 20 В не снималась из опасения за транзистор. При этом при любом напряжении U_drain спектр и импульс оставались чистыми. Признаков возбуждения обнаружено не было.

В качестве итога обсуждения способов управления можно сказать, что модулировать сигнал предпочтительней в предыдущих каскадах усилителя, а управление осуществлять стоком транзистора. То есть использовать DC35GN‑15‑Q4 в качестве усилителя модулированных колебаний.

Еще одним немаловажным параметром является амплитудная характеристика прибора (рис. 7).

Рис. 7. Амплитудные характеристики при различных начальных Idq. Синяя = 40 мА; красная = 20 мА

Кроме того, была снята малосигнальная амплитудно-частотная характеристика прибора (рис. 8) при U_drain = 50 В, U_gate = –3,33 В, P_in = –20 дБм.

Рис. 8. Малосигнальная амплитудно-частотная характеристика

Ослабление гармоник (рис. 9, 10) при U_drain = 50 В, U_gate = –3,33 В, I_dq = 40 мA, P_in = 25 дБм, F = 1215 МГц.

Рис. 9. Вторая гармоника при работе усилителя на частоте 1215 МГц

Гармоники примерно одинаковые на частотах 960, 1090 и 1215 МГц и слабо зависят от изменения I_dq.

Рис. 10. Третья гармоника при работе усилителя на частоте 1215 МГц

Еще один полезный параметр — это скос импульса. В своей документации Microsemi пишет об этом, но на всякий случай убедимся сами (рис. 11).

Рис. 11. Скос импульса на частоте 1215 МГц

На основании вышеизложенного и опыта работы с отладочной платой можно сделать следующие выводы:

• транзистор соответствует заявленным производителем характеристикам;
• компактный, в том числе и с учетом цепей согласования;
• легко согласовывается сосредоточенными элементами;
• большой коэффициент усиления.

То есть в целом можно сказать, что это «отличный транзистор».

Мощный импульсный транзистор 0912GN‑650

 В ходе работы с транзистором Microsemi 0912GN‑650 были рассмотрены различные варианты подачи напряжения смещения и питания. Исходными данными являются:

• напряжение смещения –4 В;
• напряжение питания +50 В;
• ток стока покоя 100 мА.

На вход подавалась импульсная ВЧ- мощность в пределах 5–13 Вт в диапазоне частот 1025–1150 МГц.

Исследовалась работа транзистора при подаче:

• постоянного напряжения смещения на затвор, а также постоянного напряжения +50 В на сток, на вход подавался импульсный ВЧ-сигнал прямоугольной формы;
• постоянного напряжения смещения на затвор и импульсного напряжения +50 В на сток, на вход подавался импульсный ВЧ-сигнал прямоугольной формы;
• импульсного напряжения смещения на затвор –8 В…–4 В и постоянного напряжения 50 В на сток;
• импульсного напряжения смещения на затвор –8 В…–4 В, а также пары гауссовских импульсов амплитудой 50 В на сток.

При всех условиях, а также на всех частотах в пределе 1025–1150 МГц не наблюдалось никаких паразитных осцилляций.

Измеренные характеристики приведены на рис. 12–19. Испытания показали, что транзистор устойчив во всем диапазоне частот. Кроме того, при работе на такие нагрузки, как холостой ход и короткое замыкание, транзистор остался работоспособным, при этом выходная мощность не изменилась, что свидетельствует о целостности структур внутри транзистора. Применение данного транзистора также способствует упрощению схемы передатчика за счет сокращения числа каскадов.

Рис.12. Детектированный сигнал на частоте 1025 МГц

Рис. 13. Детектированный сигнал на частоте 1090 МГц

Рис. 14. Детектированный сигнал на частоте 1150 МГц

Рис. 15. Зависимость выходной мощности от входной при различных частотах

Рис. 16. Зависимость коэффициента усиления от входной мощности при различных частотах

Рис. 17. Спектр сигнала. Частота 1025 МГц

Рис. 18. Спектр сигнала. Частота 1090 МГц

Рис. 19. Спектр сигнала. Частота 1150 МГц

На основании проведенных тестов, а также исходя из характеристик самого транзистора 0912GN‑650, применение данного прибора обосновано в бортовых системах, работающих в диапазоне частот 960–1215 МГц, в частности для ДМЕ в качестве оконечного каскада усилителя мощности. При этом нельзя не учесть, что существенно снижаются требования к системе обеспечения тепловых режимов и, как следствие, уменьшается масса и габариты передатчика.

Выводы

 Как мы смогли убедиться, при должной подготовке и учете особенностей работы использование GaN-транзисторов обеспечивает ряд преимуществ, критичных для применений, где массо-габаритные параметры играют большую роль.

Рассматриваемые транзисторы полностью соответствуют заявленным характеристикам и обладают высокой надежностью.