В статье представлены основные эксплуатационные и электрические параметры мощных СВЧ LDMOS-кремниевых транзисторов разработки АО «НИИЭТ», предназначенных для работы в импульсных режимах в диапазонах частот до 500 МГц (серия 2П9120) и 1030…1090 МГц (серии 2П9115 и 2П9116). В этой группе транзисторов следует особо отметить 2П9120ВС с рекордными для отечественной электронной отрасли выходными характеристиками: РВЫХ= 1200 Вт на частоте 500 МГц при КУР более 16 дБ. Описаны также некоторые особенности поведения транзисторов в импульсном режиме.
Мощные ВЧ- и СВЧ-транзисторы на основе кремниевой LDMOS-технологии являются, пожалуй, наиболее востребованными по сравнению с другими транзисторами этого класса среди разработчиков приемопередающей аппаратуры. Основные преимущества СВЧ LDMOS-транзисторов по сравнению с биполярными, DMOS- и VDMOS-приборами описаны в [1]. Конечно, на мировом и отечественном рынках представлены еще и перспективные, не уступающие LDMOS-транзисторам, GaN СВЧ-мощные транзисторы, однако их доля в общей номенклатуре изделий рассматриваемого направления пока невелика.
Как уже отмечалось, в данной статье речь пойдет о новых отечественных мощных СВЧ LDMOS-транзисторах, работающих в импульсном режиме в Р- и L-диапазонах частот. Транзисторы Р-диапазона – 2П9120АС, 2П9120БС и 2П9120ВС обеспечивают выходную импульсную мощность 500…1200 Вт на частоте до 500 МГц при напряжении питания 50 В и КПД свыше 45%. Транзисторы L-диапазона серий 2П9115, 2П9116 имеют значения выходной мощности от 30 Вт (2П9116А) до 500 Вт (2П9115АС) в диапазоне частот
1030…1090 МГц при напряжении питания 50 В и разных параметрах импульсов, которые указаны в спецификации на конкретные транзисторы. Все транзисторы собраны в надежных металлокерамических корпусах без использования бериллиевой керамики (вывод истока транзисторов выведен на фланец корпуса).
Основными областями применения представленных транзисторов являются радиолокационные станции гражданского и специального назначения, радиопередающая бортовая и наземная аппаратура систем радиосвязи, средства опознавания, системы управления воздушным движением и инструментальной посадки самолетов.
Основные технические характеристики транзисторов серий 2П9115, 2П9116 (1030…1090 МГц)
К числу основных эксплуатационных (выходных) параметров мощных ВЧ- и СВЧ-транзисторов относятся, как известно, выходная импульсная мощность РВЫХ И коэффициент усиления по мощности КУР и коэффициент полезного действия стока ŋс. К числу важнейших электрических и электрофизических параметров транзисторов, которые интересуют разработчиков аппаратуры, относятся сопротивление сток-исток в открытом состоянии Rси отк, тепловое сопротивление переход-корпус Rт п к и, максимально допустимая мощность рассеивания в импульсном режиме РИ МАКС, входная, проходная и выходная емкости (С11И, Сс12И, С22И,) крутизна характеристики S, а также значения максимально допустимого напряжения сток-исток UСИ МАКС и максимально допустимый импульсный ток стока IС И МАКС. Бoльшая часть перечисленных параметров для транзисторов серий 2П9115, 2П9116 представлена в таблице 1.
Транзистор 2П9115АС, также как и транзисторы 2П9120АС, 2П9120БС, 2П9120ВС (их параметры будут представлены ниже), относится к числу так называемых балансных или push-pull-транзисторов и представляет собой сборку из двух приборов, выполненных в одном корпусе с общим истоком. Для таких транзисторов значения параметров Rси отк, С11И, Сс12И, С22И, S приведены для каждой половины балансного транзистора.
Значение максимально допустимого постоянного напряжения сток-исток для всех перечисленных транзисторов составляет 100 В (при t = 25°С). Следует отметить, что транзистор 2П9115АС относится к категории длинноимпульсных транзисторов – параметры импульса для него составляют: длительность импульса τи = 13мс, скважность Q = 3, т.е. тепловой режим его работы в классе АВ близок к непрерывному. Аналогичный состав параметров для транзисторов серии 2П9120 представлен в таблице 2.
Значения длительности импульсов τи для транзисторов серии 2П9120 различны и составляют 25 мс для группы А; 5 мс для группы Б и 2 мс для группы В, соответственно. Скважность Q для всех трех типов (групп) транзисторов равна 10.
Большинство мощных транзисторов представленных серий, работающих в L диапазоне частот, имеют встроенные входные и выходные согласующие цепи (исключение составляют транзисторы малой и средней мощности, например, 2П9116А). Использование встроенных цепей согласования позволяет увеличить входные и выходные импедансы транзисторов до значений, приемлемых для разработчиков аппаратуры при осуществлении настройки и согласовании транзистора в усилительном тракте. В качестве примера на рисунке 1 приведена принципиальная электрическая схема транзисторов 2П9116Б и 2П9116В со встроенными цепями согласования, а в таблице 3 – номиналы элементов в этой цепи.
Конструктивно и технологически реализация входных и выходных согласующих цепей осуществляется с помощью монтажа соответствующих МДП-конденсаторов (С1, С2) в непосредственной близости от транзисторных кристаллов и выбранной последовательности разварки проволочных выводов. Схема размещения транзисторных кристаллов, МДП-конденсаторов и разварки проволочных выводов для транзистора 2П9116В приведена на рисунке 2.
Для потребителей наиболее полезной информацией являются данные о фактических значениях импедансов источника ZS и нагрузки ZL, полученные для транзистора в реальных условиях при измерении выходных параметров. В качестве примера на рисунке 3 приведена схема, поясняющая определение ZS и ZL, а в таблице 4 – результаты Source и Load Pull теста для транзисторов 2П9116Б.
Значения импедансов источника ZS и нагрузки ZL вместе с S-параметрами [2] обеспечивают разработчикам приемо-передающей радиоаппаратуры достаточную первоначальную информацию для проектирования усилителей мощности и их последующей доработки.
Важную информацию для разработчиков аппаратуры представляют также различные типовые зависимости параметров, которые обычно приводятся в справочных данных на каждый транзистор. К ним относятся типовые зависимости Рвых и, Кур, ŋс от входной импульсной мощности, от напряжения сток-исток или от частоты; типовые зависимости С11И, Сс12И, С22И, от напряжения сток-исток; типовые зависимости максимально допустимой импульсной рассеиваемой мощности от температуры корпуса и другие.
В качестве примера на рисунке 4 представлены типовые зависимости выходных параметров Рвых и, Кур, ŋс от Рвх и для транзистора 2П9116В на частоте 1090 МГц.
Измерения выходных параметров осуществлялись на специальном тестовом усилителе (см. рис. 5).
Некоторые особенности применения транзисторов в импульсном режиме
Существует достаточно много опубликованной информации об импульсных усилителях мощности и об особенностях применения в них полевых, в т.ч. ВЧ- и СВЧ-транзисторов. Например, подробный материал представлен в работе [3] под общей редакцией профессора В.П. Дьяконова. В режиме мощных радиоимпульсов происходит циклический процесс разогрева и остывания транзисторного кристалла, а также всего сборочного узла, включающего сами кристаллы, МДП-конденсаторы, проволочные выводы и области непосредственных контактов выводов к кремнию и различным металлам. В конце прохождения импульса температура достигает максимального значения ТМАКС, а в паузе между импульсами – минимального ТМИН, см. [4]. Для наглядности на рисунке 6 приведена иллюстрация импульсно-периодического режима работы СВЧ-транзистора и показан характер изменения температуры на поверхности кристалла [4].
Разница температур ΔТ= ТМАКС – ТМИН может достигать 60…120°С. Величина этой разницы зависит от параметров импульсов – длительности и скважности, а также уровня выходной импульсной мощности Рвых и, отдаваемой транзистором в нагрузку. При увеличении длительности импульсов и уменьшении скважности увеличивается разогрев кристалла, возрастает тепловое сопротивление RТ П К И (см. рис. 7) и, как следствие, снижается уровень максимально допустимой импульсной рассеиваемой мощности РИ МАКС. В результате происходит снижение (ограничение) и величины выходной импульсной мощности Рвых и.
Разработчикам радиопередающей аппаратуры следует учитывать особенности работы мощных импульсных транзисторов, т. е. при проектировании усилителей мощности необходимо следить за тем, чтобы для каждого режима применения транзистора не превышалась максимально допустимая импульсная рассеиваемая мощность, а рабочая точка не выходила за пределы области безопасной работы (ОБР) – по величине максимально допустимого импульсного тока стока IС И МАКС.
Литература
- Кожевников В., Дикарев В., Горохов В., Цоцорин А. Мощные СВЧ LDMOS транзисторы АО «НИИЭТ» для средств радиосвязи и радиолокации//Электронные компоненты № 4, 2015.
- Бошнаков И. Разработка СВЧ- усилителей мощности класса А за один цикл проектирования с использованием только S-параметров//Chip News ? 1 (94), 2005.
- Дьяконов В., Максимчук А., Ремнев А., Смердов В. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах – М . : Солон-Р-2002.
- Гришаков М., Синкевич В. Физика отказов мощных СВЧ-транзисторов при работе в импульсных режимах//Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы, выпуск 2, 2007.