Uso de un FET GaAS en un amplificador de 40 W para aplicaciones de estación base

Uso de un FET GaAS en un amplificador de 40 W para aplicaciones de estación base desde Anatronic S.A.

Por: Anatronic S.A.  30/05/2007
Palabras clave: Componentes Electrónicos

Descripción del circuitoLa circuitería de esta nota de aplicación ofrece al ingeniero RF un diseño robusto straight-forward para un amplificador push-pull de 40 W. Como consecuencia de la linealidad inherente de la configuración push-pull, el diseño está especialmente indicado para aplicaciones PCS, que requieren linealidad y eficiencia.La linealidad necesaria se obtiene con un mínimo de componentes y sintonización y es posible operar sobre toda la banda de PCS de 1930 – 1990 MHz. Además, se ha logrado un rendimiento CDMA ACP más que aceptable con una potencia de salida de 6 W.Ventajas de un circuito push-pullLos dispositivos que trabajan en la configuración push-pull tienen diversas ventajas inherentes con respecto a modelos Clase A single-ended, incluyendo aumento de eficiencia energética, facilidad matching, gracias al uso de dos dispositivos de puerta más pequeña, y simetría push-pull que minimiza la distorsión.Componentes del amplificador PCS de 40 WLos elementos del circuito RF de amplificador de 40 W son el FET GaAs de 40 W Eudyna FLL400IP, dos chip balun SHOSIN y varios condensadores y resistencias montados en un sustrato dieléctrico.Descripción del dispositivo FLL400IP-2El FLL400IP-2 utiliza un par de FET GaAs de potencia de puerta Au de 20 W que se conectan DC y RF en una configuración push-pull con el encapsulado IP Eudyna.Las redes de compartimiento de impedancia se usan para incrementar las propias impedancias de entrada y salida y facilitar la sintonización de tarjeta de circuito. Los FET de puerta Au de 0.8 µm tienen un MTTP inigualable para una temperatura de +125 °C.Los chip transistores y el encapsulado IP ha sido optimizados para ofrecer una resistencia térmica extremadamente baja (típica de 1.2 °C / W). Además, el encapsulado IP se encuentra herméticamente sellado para aplicaciones en entornos adversos.Descripción del balun y material de tarjetaEl diseño del amplificador lineal de 40 W presentado aquí es fruto del uso de chip balun SOSHIN GSC371-BAL2000 y un sustrato dieléctrico Rogers RO3010. Todos estos componentes empleados se encuentran disponibles comercialmente. Incluso si no se requiere un tamaño demasiado pequeño, se puede utilizar un material menos dieléctrico sin provocar una degradación de las prestaciones.Topología del circuito bias DCAl usar FET GaAs de potencia, es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos de la operación del dispositivo: inestabilidad de baja frecuencia, VSWR fuera de banda y limitación de corriente de puerta directa al trabajar con niveles elevados de drive RF.Inestabilidad de baja frecuenciaLos VSWR fuera de banda, junto con la ganancia y elevada potencia de señal del FET GaAs, inducen a crear inestabilidad a bajas frecuencias. Esto puede mostrarse en forma de oscilaciones de poca frecuencia que podrían destruir el dispositivo. La construcción rugerizada del FLL400IP-2 y el compartimiento interno reducen esta posibilidad. No obstante, es importante tomar algunas precauciones básicas.La primera cautela elemental es desacoplar adecuadamente las redes de bias de puerta y flujo. Esto se debe realizar en varios rangos de frecuencia. Para contrarrestar esta inestabilidad, es necesario el uso de condensadores de tantalio en miniatura de 10 µF. En el rango de frecuencia HF, se pueden emplear chip cerámicos de 0.1 µF o condensadores radiales. Finalmente, para el desacoplamiento VHF / UHF son muy adecuados los condensadores de chip cerámico de 1000 pF.Damping fuera de bandaLas redes de damping resistivo suelen ser empleadas para garantizar que los dispositivos están terminados adecuadamente con frecuencias fuera de banda. Esto es particularmente importante en el caso de circuitos que usen baluns, ya que a menudo reaccionan esas frecuencias fuera de banda.El circuito de damping más sencillo para amplificadores de banda estrecha se compone de un transformador de línea de elevada impedancia de un cuarto de longitud de onda terminado con una resistencia para cortocircuito RF.Con frecuencias ‘en banda’, la línea de transmisión de elevada impedancia y un cuarto de longitud de onda asegura que la resistencia no se verá afectada por las prestaciones del circuito; mientras que en frecuencias fuera de banda, la red reduce la ganancia y ofrece compartimiento resistivo, contribuyendo así a “estabilizar la oscilación”.Emplazando este circuito damping cerca del transistor, se podrá utilizar como una red bias y un elemento pre-compartido RF, combinando tres funciones en una sola circuitería.Protección de corriente de puertaBajo enormes condiciones de drive de señal, el diodo de puerta Schottky-barrier del FET GaAs será dirigido por una conducción directa. Si la corriente asociada es demasiado alta, el efecto térmico consecuente permite gradualmente la fusión de la puerta y degrada la acción del transistor.Para limitar la corriente de diodo de puerta bajo el drive de tensión RF, es habitual utilizar una resistencia serie en el circuito bias de puerta. Un incremento en las cargas de corriente provoca una caída de voltaje superior en la resistencia y disminuye la oscilación de tensión en la puerta. Por este motivo, se debe elegir concienzudamente el valor de resistencia.Una resistencia demasiado alta reduce la eficiencia de potencia añadida del amplificador, limitando la escapada de voltaje RF, mientras que una resistencia demasiado baja provoca una degradación a largo plazo del transistor y acorta el MTTF.Adaptación RF con dispositivos push-pullParámetros RF de FLL400IP-2La banda de frecuencia PCS conjuga impedancias de fuente y carga para optimizar el rendimiento ACP CDMA como se observa en la siguiente tabla. Las condiciones bias asociadas con estas impedancias son Vds = 12 V e Ids = 2 A.Diseño y simulación de circuitoPara los propósitos de simulación, el chip balun SOSHIN se representa como un balun de línea de transmisión de un cuarto de longitud onda. Su compartimiento ‘en banda’ es muy similar por lo que se convierte en una buena aproximación. El rendimiento fuera de banda es bastante diferente, por lo que se debe prestar mucha atención para evitar las oscilaciones causadas por las resonancias de balun.Los transformadores de línea acoplada de un cuarto de longitud de onda se usan para compartir la impedancia de salida de balun, Z0 / 2, para conjugar la mitad de la impedancia óptima Z*s / 2, en caso de compartimiento de entrada, y ZL* / 2 para compartimiento de salida.Sintonización de circuito de gran señalPara obtener unos resultados óptimos, hay que realizar cierta ‘re-sintonización’, en particular con respecto al circuito de salida. La ganancia inversa, S12, del dispositivo FLL400IP-2 de 40 W es suficientemente alta para requerir esta ‘re-sintonización’ del circuito de entrada, una vez que la salida ha cambiado. No obstante, el pre-compartimiento y la topología del circuito de línea acoplada dotan de la mejor sintonización posible. Además, hay que tener muy en cuenta que hay diferencias entre la sintonización óptima para ofrecer una eficiencia de potencia añadida y la de CDMA o IMD.ResultadosEl amplificador fue sintonizado para AVP CDMA a 1960 MHz con una potencia de salida de 37.5 dBm y Vdsq igual a 12 V e Idsq de 2 A. De esta forma, no hubo que realizar cambios en las mediciones CDMA e IMD.La fuente de señal CDMA era un sistema HP MCSS con 64 canales, mientras que ACP fue medido utilizando el método ‘Delta Marker’ con un ancho de banda de resolución de 30 KHz y un ancho de banda de vídeo de 100 Hz.Con estos datos, parece claro que IMD se ha mejorado con el mayor biasing Isdq, incluso con sintonización RF fija. Además, se logra una magnífica eficiencia de coste.Para ofrecer un rendimiento óptimo para un punto bias específico, tanto la sintonización RF como la impedancia de interface de antena se deben ajustar.Disipación de calorAunque esta nota de aplicación no se refiere al proceso de diseño térmico, éste desempeña una función crucial para lograr una operación fiable del amplificador de potencia. Pero como cada aplicación tiene unos requerimientos exclusivos de tamaño, construcción y condiciones ambientales, el diseño térmico correrá a cargo del usuario.

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