E
lettronica
DISPOSITIVI RF
Polarizzazione di FET LDMOS
in amplificatori di potenza RF
Terry Millward
Field Applications Director
Signal Processing & Conversion Business Unit
Maxim Integrated Products Inc., Sunnyvale, CA - USA
Massimo Caprioli
Field Applications Engineer
Maxim Integrated Products Inc., Agrate Brianza, Mi - Italia
a struttura dei FET LDMOS
(Laterally Diffused Metal-OxideSemiconductor), indicata in figura 1, è caratterizzata, in un dispositivo a
3 terminali, dalle regioni “n+” di source
e drain realizzate su substrato di tipo
“p+” e da un’area diffusa lateralmente a
bassa resistenza (p+ “sinker”) che connette la regione di Source e il substrato
“p+”. Tale configurazione permette la
connessione diretta del substrato alla
massa RF e quindi di minimizzare l’effetto parassita del cablaggio. Inoltre, la
regione di gate è isolata dal canale conduttivo tramite un sottile strato di SiO2.
L’applicazione di una tensione gatesource positiva permetterà alla corrente di fluire tra le regioni di drain e source formando un canale tra le due regioni di tipo n.
L
La tecnologia FET LDMOS
si sta imponendo quale elemento
determinante in applicazioni
“amplificazione di potenza RF”
in particolar modo nelle base station
per telefonia cellulare. Tensioni
di breakdown pari a 65 volt
permettono ai FET LDMOS
di garantire robustezza e affidabilità
quando operano in sistemi alimentati
a 28 volt. Questo articolo
delinea le caratteristiche
di tali transistor e descrive svariati
metodi di polarizzazione al fine
di ottenere i migliori risultati
applicativi
Fig. 1 – Struttura base di un FET LDMOS
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ELETTRONICA OGGI 356 - MAGGIO 2006
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DISPOSITIVI RF
Fig. 2 – Andamento di “Id” e
“Vgs” al variare della temperatura
Fig. 3 – Variazione della tensione di
polarizzazione rispetto alla temperatura (con tensione normalizzata
rispetto al tipico valore di Vgate)
I FET LDMOS operano in “enhancement mode” e pertanto la corrente drain-source non potrà circolare
finché una tensione di gate positiva
verrà applicata per accrescere il
canale “p-well”.
Viceversa, dispositivi RF quali FET
GaAs e MESFET necessitano di
una polarizzazione negativa dell’area gate-source (Vgs).
Quando un FET è usato come
amplificatore, la corrente di canale
viene modulata, sulla tensione positiva di gate, da un segnale in AC. La
figura 2 mostra la tipica relazione
tra la corrente di drain (Id) e la tensione di gate (Vgs) al variare del
valore di temperatura.
Elementi di polarizzazione
Con l’aumentare della temperatura la
soglia di lavoro del gate tenderà a spostarsi, la sua transconduttanza (gm) a
diminuire così come la sua RdsOn.
Questo effetto viene normalmente
mostrato nei data sheet in forma grafica
(Fig. 3) ove i valori di polarizzazione di
gate sono normalizzati a 1V per temperatura di 25°C mentre le curve rappresentano la variazione della polarizzazione necessaria per mantenere un preciELETTRONICA OGGI 356 - MAGGIO 2006
so valore di Id al mutare della temperatura. I FET LDMOS presentano un
coefficiente positivo per bassi valori di
Id mentre esso diviene negativo per
valori di Id “operativi” fornendo una
(intrinseca) protezione all’instabilità
termica. Le prestazioni del FET in un
amplificatore di potenza sono un compromesso tra linearità, efficienza e guadagno; tale compromesso deve condurre alla regolazione ottimale del valore
di Id che dovrà essere mantenuta
rispetto alle variazioni di temperatura,
della alimentazione, del punto di polarizzazione e dell’invecchiamento.
Metodi tradizionali
di polarizzazione
La figura 4 illustra due metodi analogici per il controllo della polarizzazione di
gate. Il circuito più semplice (a), utilizzante un partitore e un diodo (la cui
variazione di Vf è pari a -2mV/°C) per
ridurre le variazioni della corrente di
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DISPOSITIVI RF
Fig. 4 – Metodi per il controllo della polarizzazione di gate
riposo rispetto alle variazioni di temperatura, presenterà la difficoltà d’accoppiamento della compensazione del FET
e del diodo.
Il circuito (b), utilizza un preciso sensore di temperatura (max6605) al fine di
eliminare le variazioni dovute al diodo
nel circuito (a). L’amplificatore opera-
zionale fornirà il guadagno adeguato al
fine di adattare la curva termica caratteristica del FET LDMOS utilizzato
mentre un potenziometro –tradizionale
oppure digitale- permetterà di regolare
l’offset iniziale. Sebbene il circuito (b)
permetta una migliore regolazione
rispetto al circuito (a) entrambi suppon-
gono che una semplice compensazione
lineare della tensione di gate rispetto
alle variazioni di temperatura sia sufficiente per mantenere una tensione di
drain costante. Tuttavia, non è propriamente così, in modo particolare nella
progettazione di amplificatori di potenza dove una più accurata compensazio-
Fig. 5 – Approccio Maxim: controllo continuo
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TABELLA 1 - DESCRIZIONE DEI DISPOSITIVI MAXIM IN APPLICAZIONI “AMPLIFICAZIONE DI POTENZA RF”
Dispositivo
MAX1350-7
MAX1020–2, MAX1043,
MAX1057/8, MAX1221,
MAX1223, MAX1257/8,
MAX1343
MAX1385/6
MAX11008
MAX11010-11
Funzione
B
A
A+B
A+B+C
A+C
ne richiede una regolazione di tipo non
lineare. Inoltre, la regolazione lineare
della compensazione non permette di
migliorare l’efficienza del sistema in
presenza di variazioni della tensione di
drain. Quindi, la miglior compensazione
si ottiene utilizzando tecniche “mixedsignal” che combinano sia un approccio
analogico che quello digitale.
Approccio Maxim:
nuovi dispositivi
Maxim ha sviluppato svariati dispositivi
dedicati al controllo della polarizzazione
dei FET LDMOS in applicazioni “amplificazione di potenza RF”. Essi provvedono la funzione di compensazione termica per amplificatori di potenza sia in
classe A che in classe AB; inoltre, essi
permettono il controllo automatico della
potenza attraverso la regolazione di Vgs
per ottimizzare il valore di Id rispetto
alla variazione della potenza RF e della
tensione di drain. Le funzioni integrate
in tali dispositivi sono:
- amplificatore per la misura della corrente di drain (Id);
- ADC per convertire in digitale il valore
della corrente di drain durante la calibrazione e in funzione della temperatura;
- DAC per fornire la tensione di polarizzazione al gate;
- una E2PROM per memorizzare la look-
148
Descrizione
Dispositivo duale integrante: Driver per LDMOS e sensore di corrente
Dispositivi multi canale integranti:
- ADC 10/12-bit e DAC 10/12-bit
- Sensori di temperatura
- General purpose IO configurabili
Controllore di polarità FET-LDMOS dDuale (RF) integrante : ADC e DAC, driver per LDMOS,
sensori di corrente e sensori di temperatura
Controllore di polarità FET-LDMOS duale (RF) “stand alone” integrante: ADC e DAC, driver per
LDMOS, sensori di corrente, sensori di temperatura ed E2PROM per memorizzare i parametri di
calibrazione
Controllore di polarità FET-LDMOS duale (RF) integrante: ADC e DAC,
sensori di temperatura ed E2PROM per memorizzare i parametri di calibrazione
up table (che conterrà la curva temperatura/tensione di gate);
- un circuito relativo alle segnalazione di
allarme;
- un circuito di limitazione della tensione
di gate.
L’approccio Maxim (controllo continuo)
offre svariati vantaggi. Esso riduce i
costi di produzione permettendo la
regolazione automatica del punto di
lavoro dell’amplificatore di potenza
migliorandone l’accuratezza, permette
la compensazione non-lineare, permette
la polarizzazione dinamica per una
miglior gestione della potenza d’uscita
durante i periodi di quiescenza dell’amplificatore ed estende la gamma dei
FET-LDMOS durante la fase di selezione. Lo schema di principio è mostrato in
figura 5.
Una schematica descrizione dei dispositivi Maxim utilizzabili in tale applicazione è illustrata in tabella 1.
Il “front-end” (MAX1350-MAX1357)
integra le funzioni di amplificatore per la
misura della corrente di drain (Id) e il
circuito pilota del FET. L’amplificatore
per la misura della corrente di drain (Id)
opera in una gamma di valori da 20mA a
5A attraverso un resistore di “sense”
esterno scelto in funzione della corrente da misurare. Il dispositivo permette
di impostare due valori di guadagno (2 o
10) per due valori di offset d’ingresso
(0V o 3mV, quest’ultimo in quelle applicazioni che richiedono la funzione di
annullamento dell’offset). L’uscita di
tale Amplificatore è riferita a massa e
può raggiungere un valore massimo di 5
volt.
Il circuito pilota del FET prevede un’uscita limitata in corrente e provvede una
veloce chiusura a massa tramite opportuno circuito logico. Tale caratteristica
opera in modo indipendente dall’interfaccia seriale, quindi dalla rilevazione di
guasti da parte del controllore di sistema, permettendo una veloce protezione
del FET. L’amplificatore è configurato
per fornire un guadagno di 2 o 4 in
modo da adattarsi alle caratteristiche di
Vgs di vari LDMOS FET in commercio.
Inoltre, all’accensione e allo spegnimento, un opportuno circuito limita a
±100mV i transienti sull’uscita.
All’accensione il dispositivo viene posto
in modalità di quiescenza (shutdown)
mentre le uscite dei due amplificatori
(“sense” e “drive”) vengono collegate a
massa attraverso reti resistive così da
limitare il consumo a soli 100µA.
Agendo sul pin SHDN (con una transizione basso-alto) verrà controllata l’accensione del dispositivo in modo da proteggere il FET.
Il dispositivo duale MAX1385-86 integra
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Fig. 6 – Maxim MAX 11008, schema di principio
il circuito di “sense” della corrente e
quello “pilota” descritti precedentemente e implementa le funzioni di
impostazione e controllo della polarizzazione dei due FET LDMOS. La regoELETTRONICA OGGI 356 - MAGGIO 2006
lazione del guadagno del circuito di
“sense” è stata migliorata e resa programmabile attraverso un PGA caratterizzato da una funzione di auto calibrazione trasparente all’utente che permet-
te di ottenere un’elevata accuratezza su
tutta la gamma di temperature operative e nel tempo.
Due transistor (connessi a diodo) possono essere usati esternamente per
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Fig. 7 – Algoritmo e parametri immagazzinati in
memoria (LUT)
controllare la temperatura dei due FET
mentre un diodo è stato integrato nel
dispositivo per misurarne la temperatura. Queste temperature, così come le
correnti di drain dei FET e ulteriori due
ingressi (che possono essere usati per
misurare qualsiasi altro parametro della
sezione PA) vengono “multiplexate”
verso l’ingresso di un ADC a 12 bit. La
funzione di acquisizione permette di
leggere un singolo canale oppure di
scandire tutti i canali e immagazzinarne
i risultati nella FIFO interna.
Due DAC (un 8 bit per la regolazione
“grossolana” e un 10 bit per la regolazione “fine”) sono previsti per la generazione della tensione di polarizzazione
fornita al circuito pilota del FET. Tali
buffer sono limitati in corrente e, come
nel MAX1350-1357, integrano la protezione veloce del FET indipendente dall’interfaccia seriale. Al fine di attuare il
controllo del dispositivo, il microprocessore accederà all’ADC, al DAC e ai registri interni tramite l’interfaccia dati SPI
o I2C (in funzione dello stato del pin
150
“Interface Select”). La tipica applicazione è rappresentata da un amplificatore a
FET LDMOS in classe AB con anello di
controllo aperto. Il controllo avverrà in
modo digitale attraverso un processore
che, utilizzando le curve memorizzate in
LUT e gli algoritmi definiti dal progettista, imposterà nel DAC il valore di Vgs
applicata al FET LDMOS.
Tale approccio viene implementato
nelle seguenti tre 3 fasi :
- Caratterizzazione: alcuni LDMOS sono
caratterizzati in temperatura per determinare (come curva di calibrazione)
una gamma di valori di tensione di gate
(fornita dal DAC) che mantengano
costante la corrente di drain. Pur assumendo che tali curve siano consistenti,
parte di tali FET potranno mostrare una
variazione di offset.
Tale variazione non avrà particolare
effetto rispetto alle curve di calibrazione
e i valori succitati verranno quindi registrati nelle relative LUT (Look Up
Table) all’interno della memoria di
sistema. Inoltre ulteriori LUT potranno
memorizzare altri parametri come, ad
esempio, le curve che pongono in relazione la tensione di drain e la potenza
erogata in uscita.
- Calibrazione: durante la fase produttiva, la corrente di riposo del PA viene
misurata alla temperatura di calibrazione (abitualmente T.ambiente) e i valori
di Vgate forniti dal DAC vengono regolati per generare una Idrain nei limiti
specificati per quella temperatura. Tali
valori di Vgs vengono quindi memorizzati come “valori iniziali” e, nel caso di
calibrazione a singolo valore di temperatura, vengono confrontati con i “valori
ideali” (a quella temperatura) contenuti
nella LUT. La differenza tra i due valori
verrà quindi memorizzata come offset
di quel particolare FET per essere poi
sommata per ogni valore contenuto
nella LUT relativa alla temperatura. Nel
caso di calibrazione a doppio valore di
temperatura, sarà possibile ottenere
una primaria correzione del guadagno
per un particolare FET attraverso la
moltiplicazione di ogni valore contenuto
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DISPOSITIVI RF
TABELLA 2 - ESEMPI DI CONFIGURAZIONE MEMORIA
Indirizzo
(Word)
0x00
0x10
Configurazione 1
Configurazione 2
Configurazione 4
Memoria dati (dedicati) utente
Dati di configurazione
0x40
0x60
APC LUT1 32x16 bit
APC LUT2 32x16 bit
APC LUT unificata
64 x 16 bit
0x80
0xA0
LUT1temperatura
64 x 16-bit
LUT1temperatura
64 x 16-bit
LUT
temperatura
unificata
64 x 16 bit
APC LUT
unificata
128 x 16 bit
La0xC0
0xE0
Configurazione 3
LUT2 temperatura
64 x 16-bit
APC LUT
unificata
192 x 16 bit
LUT2 temperatura
64 x 16-bit
0xFF
nella LUT per il coefficiente della curva
precedentemente calcolato.
- Operatività: periodicamente, la temperatura del FET verrà misurata e confrontata con il valore della precedente
lettura. In caso di variazione, il processore - dopo aver letto il dato di caratterizzazione memorizzato in LUT –
aggiornerà l’uscita del DAC al fine di
correggere il valore di Idrain.
Siccome il MAX1385-1386 utilizza un
microcontrollore per correggere le
variazioni di temperatura così come
quelli di altri fattori (tramite offset e
curve memorizzate nelle LUT), sarà
anche possibile controllare l’effetto dell’
“invecchiamento” inserendo i relativi
parametri nell’algoritmo di controllo.
Il MAX11008, oltre a fornire le stesse
funzionalità del MAX1385-86, integra
una memoria E2PROM ove implementare le LUT con interpolazione (Fig. 6)
per il controllo della Vgs tramite le funzioni di compensazione della temperatura e controllo automatico della potenza.
La presenza della memoria non-volatile
contenente le LUT permette di “impostare e dimenticare” i parametri di lavoro e svincola dall’uso di un microcon-
152
trollore esterno per controllare la
Polarizzazione del FET. Tale circuito di
Bias elimina ogni connessione digitale
(µC) col mondo RF e permette di posizionare il MAX11008 nelle vicinanze del
dispositivo LDMOS senza incorrere nel
rischio di generare alcuna disturbanza
nello spettro RF. I due DAC indipendenti svolgono le seguenti funzioni:
VGATE = VSET + LUTTEMP{Temp} +
+ LUTAPC{APC}
dove VGATE rappresenta l’effettiva tensione di gate amplificata, VSET è il valore della tensione di gate (Tcal °C) programmato in fabbrica, LUTTEMP{Temp}
è il valore interpolato memorizzato nella
LookUpTable relativo alla temperatura
campionata mentre LUTAPC{APC} è il
valore interpolato contenuto nella LUTAPC per i parametri del controllo automatico di potenza.
L’utente ha un controllo totale della configurazione potendo definire sino a quattro LUT indipendenti (una per ciascuna
variabile dei due canali); inoltre, egli
potrà variarne le dimensioni in funzione
della risoluzione richiesta per ogni sin-
gola variabile. Nel caso in cui l’uscita del
DAC fosse funzione di una sola variabile, l’utente potrà definire sia due LUT
(una per ciascun canale) oppure una
sola LUT di risoluzione maggiorata
comune a entrambi i canali.
Inoltre, 32 byte di memoria sono disponibili per immagazzinare dati utente
come, per esempio, il numero identificativo di scheda o di PA e i dati di calibrazione. Nel caso in cui si configurassero
delle LUT di piccole dimensioni l’utente
avrà a disposizione ulteriore spazio in
memoria. Il diagramma di figura 7
descrive i tipi di algoritmo e gli indirizzi
di memoria delle LUT.
I coefficienti di temperatura sono immagazzinati in 64 locazioni di memoria.
L’utente potrà selezionare granularità,
offset e interpolazione (1:2, 1:4 or 1:8)
così da ottenere valori di Vgate particolarmente accurati (sino a variazioni di
temperatura = 0,25°C).
I parametri di APC (o altri) vengono
immagazzinati in 32, 64, 128 o 192 locazioni di memoria in funzione della configurazione della memoria non-volatile ivi
integrata. Come già visto, l’utente potrà
selezionare granularità, offset e interpoELETTRONICA OGGI 356 - MAGGIO 2006
E
"""
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lazione (1:2, 1:4 or 1:8) così da ottenere variazioni di Vgate molto
fini (per passi di 18mV quando il drain è collegato a 28V).
L’implementazione di più recenti ed efficienti schemi, quale il
controllo automatico di potenza (APC) si basano sul principio
che la potenza d’uscita del PA varia nel tempo in funzione della
distanza tra l’utilizzatore del cellulare e la base station permanente. L’APC permette d’ottenere una miglior efficienza di sistema gestendo la tensione di gate (o corrente di drain) attraverso
il continuo controllo della potenza d’uscita e della tensione applicata al drain. Anche l’uso del MAX11008 è regolato dalla caratterizzazione del dispositivo LDMOS per definire i valori da memorizzare in LUT. Alla temperatura di calibrazione, il progettista
definisce i valori da applicare al DAC e li memorizzerà nel registro “non-volatile” Vgateset. Nella fase operativa, il DAC controlla la temperatura e un altro parametro dell’APC. Se entrambi
variano il MAX11008 manterrà la corrente di drain del LDMOS
al suo valore ideale selezionando, per mezzo dell’interpolazione
dei valori contenuti nella LUT, un altro valore d’uscita del DAC
ottenendo un’elevata accuratezza. Ad esempio, con una Id = 1A e
una Rsense = 75mΩ l’errore tipico sarà inferiore del 0,9% mentre
con una Id = 250mA e una Rsense = 300 mΩ l’errore tipico sarà
inferiore del 1,75%. Inoltre, alcuni dei dispositivi succitati possono anche essere usati per controllare le funzioni in un anello di
linearizzazione del PA e ulteriori applicazioni RF. I dispositivi
MAX11010 e MAX11011 sono equivalenti al MAX11008 ma non
prevedono il controllo della Idrain e il circuito pilota del LDMOS.
Per ottenere una maggior flessibilità di progetto è preferibile
considerare l’uso dei dispositivi: MAX1020/22, MAX1043,
MAX1057/58, MAX1221/23, MAX1257/58 e MAX1343, che integrano ADC multicanale con FIFO, circuiti di auto scansione, circuiti di “data averaging”, svariati DAC e molti pin di I/O nonché
un sensore di temperatura con accuratezza di ±1°C. Tali DAC e
ADC forniscono una risoluzione di 10 o 12 bit. Infine, i dispositivi MAX11014/15 provvedono un circuito pilota del gate avente
una uscita a tensione negativa (piuttosto che positiva) che li
rende ideali per applicazioni con MESFET o GaAsFET. In caso
di guasto, al fine di proteggere tali FET, il circuito Pilota forzerà
l’uscita al valore di una Tensione esternamente applicata.
I circuiti integrati sopra descritti permettono al progettista di
amplificatori per base station di realizzare la polarizzazione del
LDMOS col minimo dei componenti richiesti ottenendo il massimo della flessibilità di sistema.
Questi dispositivi possono essere anche usati in applicazioni
industriali e automotive per realizzare il controllo della corrente
e la compensazione di temperatura. Al fine di permettere una più
veloce verifica del componente, Maxim è in grado di fornire
schede di valutazione complete del software di calibrazione da
usare in ambiente PC.
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Maxim Integrated Products
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