Adi Shieber & Yan Vainter, Freescale Semicondutor
הרכיב AFT05MP075N מתוכנן עבור יישומי רדיו נייד דו-כיווני בתחום תדר של 136-520MHz. ההגבר הגבוה, הקשיחות (ruggedness) וביצועי הפס הרחב של התקנים אלו, הופכים אותם למתאימים במיוחד עבור יישומים של מגבר חיבור מקור (source) משותף לאותות גדולים, בציוד רדיו נייד.
במאמר זה נתמקד בפס 135-175MHz עם אפנון אנלוגי וספרתי הכולל TETRA, SSB,WSJT, FSK ו-CW.
®Freescale יצרה תכנון לדוגמה בעל המאפיינים הבאים:
תחום תדרים: 135-175MHz
הספק במוצא ב-P1dB גדול מ-75W
מתח הפעלה: 12.5V
הגבר אופייני גדול מ-20dB
נצילות אופיינית גדולה מ-70%
גודל מעגל מודפס: 76.2mm x 50.8mm
ההתקנים היבשתיים הניידים בסדרת ®Airfast של Freescale משלבים הגבר ונצילות טובים באופן יוצא דופן, עם קשיחות מובילה בתעשייה, יציבות ועם מארז עם התנגדות תרמית נמוכה.
ההתקן מגיע לביצועים שלו ללא השימוש בתיאום הפנימי של התקנים בדידים ברוחב פס צר. כתוצאה, אפשר להתאים אותו באופטימיזציה דרך רשת תיאום חיצונית, כדי שיפעל על פני רוחב פס רחב יותר, בתוך טווח מוגדר של תדירויות פעולה.
טכנולוגיית LDMOS המשיכה להתפתח כדי לעמוד בדרישות המחמירות עוד יותר של שוק הרדיו היבשתי הנייד, והגיעה לרמות גבוהות יותר של נצילות, הגבר, הספק וביצועים תרמיים. תוצאה של התפתחות זו היא הרכיב AFT05MP075N.
הרכיב AFT05MP075N הוא חלק מקו המוצרים Airfast הנושא את התכונות העיקריות הבאות:
הגבר ונצילות גבוהים
אמינות ויציבות בזכות קשיחות יוצאת דופן, שיפורי יציבות משולבים, מעגל הגנה ESD משולב וביצועים תרמיים יוצאים מן הכלל.
מארז פלסטיק בהזרקת על (over molded) בעלות כדאית
בדיקות מעבדה ומדידות ת”ר (RF) בוצעו כדי להציג את ביצועי הפס הרחב.
מדידות בתדר רדיו (RF)
מערך האפנון הראשון שמוצג כאן תועד עם אות גל רציף (CW – באות בתדר יחיד), אלא אם מצוין אחרת.
הנתונים נלקחו עם תוכנת אפנון אוטומטית למדידות חוזרות.
הגדרת ממתח במתח הישר: 12.5V מתח אספקת חיבור Drain, ב-Idq=500mA.
המתקן כוונן לאיזון הטובה ביותר בין ליניאריות ונצילות. אפשר לבצע גם כיוונון אחר, כדי להתאים טוב יותר ליישום של הלקוח – כלומר, לפי ליניאריות, נצילות או הספק מרבי.
מדידת IMD
על מנת לאפנן את עיוות אפנון הביניים או התנהגות IMD, של ההתקן בתכנון לדוגמה זה, השתמשנו באות בדיקה בשני תדרים. שני אותות גל רציף בהספק שווה, במרווח של 2KHz, הוזנו בכניסת המגבר.
לחיבור Drain של הטרנזיסטור סופק מתח של 13.6VDC מתח ישר, ומיקדם בזרם שקט (quiescent current) של 1.2A. הערך של זרם השקט נבחר כדי להשיג איזון בין הגבר טוב, ליניאריות וביצועי נצילות.
המשרעת (אמפליטודה) של תוצרי העיוות מיוחסת להספק מעטפת השיא
(PEP – Peak Envelope Power) ועם מרווח תדרים של 2KHz (תקן EIA).
צילומי מסך מראים ערכים המיוחסים להספק מוצא PEP של 80W
ב-135MHz, 155MHz וב-MHz (טבלה 1 ואיור 3).
הוא ההספק של אות בתדר יחיד (PEP/4), הוא , Delta2 הוא , Delta3 הוא IMD7 ו-Delta4 הוא IMD9
הערה: כל ערכי ה-Delta מיוחסים ל-PEP.
עמידות
הרכיב AFT05MP075N יכול לפעול ביג”ע (VSWR) גדול מ-65:1 במצב של גל רציף (CW) ללא ירידה בביצועים, עם דחיפת יתר של 3dB ועם מתח אספקה של 17V DC מתח ישר. להתקן זה יש הגנה מובנית כנגד פריקה אלקטרוסטטית, והוא נתון במארז הפלסטי בהזרקת על של Freescale.
בדיקת יג”ע בוצעה עבור כל זוויות המופע של אות גל רציף עבור 175MHz עם אפס תקלות וללא ירידה בביצועי תדר רדיו (טבלה 2).
תרשימים
על מנת לתכנן את רשתות התיאום בכניסה וביציאה של המגבר, נקודת הפתיחה שנבחרה הייתה עכבה (אימפדאנס) באות גדול לכניסה ויציאה, שהושגה בעזרת טכניקת הסימולציה ADS Load-Pull. אותה גישת תכנון יושמה עבור רשתות הכניסה ורשתות היציאה.
השתמשנו במקטעי LC מרובים, על מנת לערוך את הטרנספורמציה מעכבת ייחוס של 50Ω לעכבות המרוכבות של ההתקן שנמדדו. על מנת לעמוד בדרישות ההגבר, הנצילות ורוחב הפס, נבחרו שלושה מקטעי LC כאיזון הטוב ביותר לרשת התיאום. בתכנון הראשון רשת התיאום המוצעת נוצרה בעזרת שימוש בהתקנים בדידים עבור כל מקטע LC. לאחר מכן, התכנון עבר אופטימיזציה כדי להשיג אותן תוצאות, אבל עם משרני micro strip מודפסים. המיזוג וההדמיה של המעגלים האלו נעשתה בעזרת מערכת תכנון מתקדמת (ADS) של חברת Agilent Technologies.
אחת התכונות העיקריות של תכנון זה היא השימוש במשרני micro strip מודפסים במקום ברכיבים בדידים (איורים 5-7).
שיקולי תכנון המשטח
כפי שנראה באיור 1, תכנון המעגל המודפס עבור AFT05MP075N קומפקטי זה, מצורף למשטח שהוא באותו גודל כמו המעגל המודפס. משטח המתכת עשוי מנחושת, שהיא יעילה מאוד בהקטנת ההתנגדות התרמית הכוללת בין הצומת לבין המעגל הנושא. המשטח הוא חלק אינטגרלי מהמערכת ויש לו תפקידים תרמיים וחשמליים. AFT05MP075N מפזר אנרגיית חום, שאותה חייבים לסלק דרך הצד האחורי של ההתקן. משטח הנחושת מפזר את החום לאזור רחב יותר וגם מספק חיבור הארקה חשמלית להתקן.
מידות המשטח והפרטים המכניים שלו מוצגים באיור 8.
מדידות חום
על מנת להבטיח סריקת טמפרטורה מדויקת, נצבעו הרכיבים המיועדים למדידה בציפוי שחור בעל פליטה נמוכה (איור 9).
המדידות נעשו בהספק מוצא של 80W
וב-135MHz (במקום שבו זרם חיבור Drain נמצא בנקודת המקסימום ברוחב הפס).
לאחר דקה אחת של פעולה בתנאים אלו, וללא זרימת אוויר בחלק העליון של המעגל, הנקודה החמה ביותר אותרה במשרן רכיב בדיד בקו היציאה, והיא הייתה סביב 42°C (איור 10).
לאחר 10 דקות של הפעלה בגל רציף, הטמפרטורה הגבוהה ביותר שאותרה, עדיין הייתה במשרן רכיב בדיד, והיא הייתה סביב 48°C (איור 11).
יתר חלקי המעגל הראו ערכי טמפרטורה נמוכים יותר.
עכבה של כרטיס הבדיקה
לאחר שהמגבר כוונן ונתוני הבדיקה נלקחו, AFT05MP075N הוסר מכרטיס הבדיקה. נתח רשת מכויל וכרטיס בדיקה מתאים שימשו למדידת עומס single ended שכל רשת תיאום סיפקה לרכיב AFT05MP075N (איור 12 וטבלה 3)
אמינות
הזמן הממוצע עד תקלה (MTTF) מוגדר כזמן ממוצע עד תקלות של 50% של כרטיס הבדיקה בתוך גודל הדגימה, הגורם העיקרי בתקלות אמינות של ההתקן, הוא כתוצאה מנדידת אטומים חשמלית (electromigration). כאשר נקבעו תנאי הפעולה הממוצעים עבור היישום, אפשר לחשב את MTTF בעזרת Rth שנמצא במפרט הטכני הרשמי של Freescale.
לדוגמה, אם הספק המוצא הרצוי בפעולה הוא 75W, עם 70% נצילות בחיבור
Drain ב-. Idrain ב-75W ונצילות של 70% הוא 9.1A
Rth של AFT05MP075N הוא 0.29°C/W עם טמפרטורת מארז של 80°C
ההספק המתפזר הוא 38.75W
עליית הטמפרטורה (בהנחה של ממשק מושלם בין הצומת למארז) היא:
38.75W * 0.29 °C/W = 11.24 °C
Tj = Trise + Tcase = 11.24 °C+80 °C = 91.24 °C
הערה: טמפרטורת צומת זו תשתנה באופן ליניארי עם טמפרטורת המארז (טבלה 4).
בעזרת המפרט הטכני שמסופק על ידי Freescale אשר מחשב את ה-MTTF לעומת Idrain ו- = 9.1A, ה-MTTF בדוגמה זו הוא כמעט 4000 שנים.
מסקנה
במאמר זה תיארנו את התכנון והיישום של AFT05MP075N של Freescale בכרטיס בדיקה של 175MHz. מדידות המעבדה ונתוני הבדיקה עבור ביצועי ליניאריות, עמידות, הספק מוצא מרבי, נצילות, IMD והרמוניות הוצגו אף הם. ההיבט התרמי וטמפרטורת הרכיב בכרטיס הבדיקה יוחסו לאמינות הטרנזיסטור ול-MTTF.
