А-КОНТРАКТ на выставке ЭкпоЭлектроника – 2019

|   А-КОНТРАКТ на выставках

С 15 по 17 апреля компания А-КОНТРАКТ в очередной раз принимала участие в самой крупной российской выставке электронных компонентов, модулей и...

Далее

Системный подход к контролю качества изделий РЭА на контрактном производстве.

автор Сергей Патрушев | |   Статьи А-КОНТРАКТ

Читайте новую статью директора по качеству А-КОНТРАКТ, опубликованную в журнале Технологии в электронной промышленности, № 2, 2019 г.

Далее

Использование GaN транзисторов кВт уровня в радиолокационных и авиационных системах. Часть 1.

автор Даниэль Койяма (Daniel Koyama), Апет Барсегян (Apet Barsegyan), Джон Уолкер (John Walker) Integra Technologies, Inc., El Segundo, CA 90245, США | |   Новости и обзоры отрасли

Резюме

В данной статье изучается эффект от использования нормального смещения Класса А/В для GaN и LDMOS транзисторов кВт уровня, используемых в радиолокационных и авиационных системах. Показано, что смещение класса A/B приводит к общей эффективности, которая как правило на 5-10% меньше чем эффективность во время импульса, а также к генерации значительного дробового шума в период выключения, который может вызвать десенсибилизацию приемника. Описывается новый автоматический селекторный импульс и схема задания последовательности, которые решают обе вышеуказанные проблемы. Для данной схемы приводятся время нарастания и спада и показатели задержки. Показано, что шум на выходе в период выключения снизился на >30дБ.

Термины — GaN, Транзисторы, радар, авиационные системы.

 

I ВВЕДЕНИЕ

Импульсные кремниевые биполярные транзисторы с выходом мощности выше 1 кВт для использования на ГГц частотах были доступны на рынке последние несколько десятилетий. Биполярные транзисторы очень хорошо подходят для данного устройства, а технология хорошо проработана и очень надежна. Биполярные транзисторы предлагают ряд преимуществ по сравнению с LDMOS и GaN HEMT для данного устройства, включая возможность работать только от одного положительного источника напряжения, у них самые простые и дешевые схемы по любой технологии, возможность работать в классе С, что значит, что незначительный дробовой шум вводится на приемник во время выключения импульса, и не происходит снижение эффективности из-за мощности, потребляемой током покоя в период отключения импульса. Однако, биполярные транзисторы также имеют и некоторые недостатки, например, они требуют использования вредных для окружающей среды ВеО корпусов, что является основной причиной удорожания, и они имеют низкий коэффициент усиления, обычно около 9 дБ для устройства мощностью 1 кВт, по сравнению с 18-20 дБ для типичных деталей GaN или LDMOS. Низкий коэффициент усиления означает, что потребуется больше каскадов возбудителя, что увеличивает как стоимость, так и размер усилителя, а также снижает общую эффективность.

Устройства LDMOS с мощностью один кВт доступны около 10 лет. Первые устройства часто ломались из-за тиристорного защелкивания внутреннего паразитного биполярного транзистора в устройстве. Это происходит из-за того, что импульс устройства приводит к очень большому изменению в токе стока в короткий период времени,  и так как этот ток проходит через индуктор в цепи смещения стока, то возникает скачок напряжения через сток транзистора через Ldi/dt действие. Этот скачок может спровоцировать тиристорное защелкивание паразитного биполярного транзистора, что приводит к поломке устройства. Чем выше мощность транзистора, тем выше ток, который ведет к большему скачку напряжения, что делает устройства LDMOS кВт уровня более чувствительными к данному типу нарушения. Хотя сегодняшние LDMOS транзисторы значительно более надежны в преодолении этого скачка напряжения, чем первые устройства, но подобные нарушения до сих пор происходят. Тем не менее LDMOS транзисторы кВт уровня можно приобрести у ряда производителей для авиационных устройств, включая IFF, SSR, и TACAN/DME, а также радар L диапазона. LDMOS транзисторы имеют значительно более высокое усиления около 18-20 дБ по сравнению с 9 дБ у биполярных. Они не требуют использования ВеО корпусов. Оба эти фактора значительно снижают их стоимость. Однако, эффективность LDMOS на 5-10% ниже, чем у биполярных транзисторов, так как первые всегда работают в Классе А/В, тогда как биполярные транзисторы работают в Классе С.

В последние несколько месяцев были представлены GaN транзисторы кВт уровня [1,2] для авиационных устройств и радаров L диапазона. Эти устройства предлагают сходное с LDMOS усиление и имеют сопоставимую цену, но обладают самой высокой эффективностью из трех представленных технологий  - около 80%. Более высокая эффективность является следствием нескольких факторов, включая более низкое сопротивление наклона из-за очень высокой подвижности двумерного электронного газа в эпслое HEMT, и способность представлять оптимизированные импедансы на гармониках из-за гораздо меньшей емкости. Меньшая емкость также приводит к более высокому выходному сопротивлению транзистора, что требует более низкого коэффициента преобразования импеданса в сети согласования выходов, что, таким образом, имеет меньшие потери.

Хотя GaN и LDMOS транзисторы имеют значительные преимущества по сравнению с биполярными транзисторами для авиационных и радиолокационных устройств, оба они имеют один серьезный недостаток, а именно то, что оба они смещены в Класс А/В, что означает, что транзистор будет иметь ток покоя, протекающий через устройство в период выключения. То покоя приблизительно пропорционален выходной мощности, то есть рассеивание этой мощности становится значительной проблемой для транзисторов кВт уровня. Авиационные и радиолокационные устройства обычно используют 10% продолжительность включения, что означает, что транзистор потребляет свой ток покоя в течение 90% времени. Рис.1 показывает влияние этого тока покоя на общую эффективность 1кВт GaN транзистора для IFF/SSR устройств. Эффективность в момент импульса 81,5%, но общая эффективность снижается до 75,2% после учета тока покоя, потребленного во время отключения импульса. Есть еще одна серьезная проблема при использовании GaN или LDMOS, а именно тот факт, что ток покоя в период отключения генерирует дробовой шум [3], выраженный формулой

Где In2 – среднеквадратическое значение шума
q – заряд электрона,
Idq – ток покоя
B – ширина диапазона.
Этот дробовой шум может попасть на ресивер, вызвав десенсибилизацию приемника.

Последним недостатком GaN является то, что это устройство с режимом истощения, что означает, что ему нужно как положительное, так и отрицательное напряжение питания, а напряжение на стоке необходимо применять после того, как напряжение затвора установлено на требуемое значение, чтобы предотвратить протекание избыточного тока, вызывающего разрушение устройства.

Чтобы избежать снижения эффективности и устранить десенсибилизацию приемника необходимо, чтобы ток покоя был снижен до нуля в период отключения импульса. Это может быть сделать, подавая импульс либо на напряжение затвора, либо на напряжение стока синхронно с RF импульсом. Импульс затвора проще выполнить, так как для транзистора кВт уровня импульс стока потребует подключения около 20А, но транзистор будет все равно потреблять небольшое количество тока в период отключения, определенное его током утечки, который может составлять несколько мА, тогда как импульс стока снижает этот ток почти до нуля.

Данный доклад предлагает новую схему импульса для GaN транзисторов, которая также устраняет необходимость отрицательного напряжения питания, является полностью автоматической в том смысле, что запускается приложением радиочастотного импульса к транзистору, и обеспечивает отказоустойчивое смещение транзистора путем обеспечения правильной последовательности напряжений на затворе и стоке. Показатели времени нарастания и спада будут также представлены вместе с задержкой импульса и улучшением выхода шума. Также будет обсуждена компенсация температуры.  

Рис. 1. Влияние ток покоя в период отключения на общую эффективность. Красный график - общая эффективность, зеленый – эффективность во время импульса, синий график – соответствующее усиление.

Источник:  circuitinsight.com

Назад