Выходят из строя LDMOS транзисторы. Опции

[DKundaliou]

В общем тема такая, есть усилитель на базе LDMOS транзистора BLF6G10-200RN, работает усилитель на несогласованную нагрузку с постоянно изменяющимся импедансом, работает на разных частотах в диапазоне от 470МГц до 440МГц (проходит по частоте от 470 до 440 за 5 секунд, потом увеличивается выходная мощность и процесс повторяется), амплитуда входного напряжения не превышает 1В, работает в линейном режиме (напряжение смещения 2.8В, ток покоя порядка 500мА). Схема с общим истоком. Проблема : выходит из строя по входу при перепрыгивании по частоте(предположительно), при чем выходит из строя как захочет, может месяц поработать потом сгореть, может при первом же включении. Не совсем понятен процесс выхода из строя, т.к. выходит по входу то маловероятно что проблема в несогласованности нагрузки, самовозбуждения по приборам не наблюдается, да и нет цепи положительной обратной связи по которой оно могло бы происходить, входные параметры не превышены ни по амплитуде напряжения ни по амплитуде тока, в чем может быть причина?

[Prostograf]

В общем тема такая, есть усилитель на базе LDMOS транзистора BLF6G10-200RN, работает усилитель на несогласованную нагрузку с постоянно изменяющимся импедансом, работает на разных частотах в диапазоне от 470МГц до 440МГц (проходит по частоте от 470 до 440 за 5 секунд, потом увеличивается выходная мощность и процесс повторяется), амплитуда входного напряжения не превышает 1В, работает в линейном режиме (напряжение смещения 2.8В, ток покоя порядка 500мА). Схема с общим истоком. Проблема : выходит из строя по входу при перепрыгивании по частоте(предположительно), при чем выходит из строя как захочет, может месяц поработать потом сгореть, может при первом же включении. Не совсем понятен процесс выхода из строя, т.к. выходит по входу то маловероятно что проблема в несогласованности нагрузки, самовозбуждения по приборам не наблюдается, да и нет цепи положительной обратной связи по которой оно могло бы происходить, входные параметры не превышены ни по амплитуде напряжения ни по амплитуде тока, в чем может быть причина?

Если не сильно вдаваться в тему, то это банальное самовозбуждение. Причем по приборам вы его не увидите - это дело 1 мс. Транзистор с такой мощностью выгорает моментально. засечь не реально. У меня такое было когда только начинал работать с усилителями. Правда усилитель был 4 Вт. Горел и всегда по разному. Тоже понимал, что может быть возбуд, но никак не мог его засечь. Потом просто взял S параметры транзистора ( благо они давались производителем) и посчитал коэффициент устойчивоости. И что же выяснилось, что мой транзистор потенциально неустойчив.
Что это значит. Это значит, что коэффиент устойчивости близок к 1. И что при определенных условиях усилитель возбуждается. Отсюда ваше сгорание по разному ( он просто находиться на гране возбуждения и от экземпляра к экземпляру из-за разброса может проработать неделю, а может сразу сгореть). Посчитайте коэффициент устойчивости транзистора без цепей согласования, а затем с вашими ЦС и что важно с цепями смещения!!! (хотя бы даже в генезисе). и станет все ясно. Тока напишите. что получилось!
И если я прав, то выход тока один либо вводить цепи повышения устойчивости, либо искать другой транзитстор.

И вообще транзистор этот рекомендуется применнять 0т 700 до 1000 МГц.

Сообщение отредактировал Prostograf - Jan 10 2014, 06:36

[MePavel]

Если не сильно вдаваться в тему, то это банальное самовозбуждение. Причем по приборам вы его не увидите - это дело 1 мс. Транзистор с такой мощностью выгорает моментально. засечь не реально.

Полностью согласен, в случае самовозбуждения именно так и происходит. Но что именно эта причина отказа у автора темы, я полностью не уверен. Большой КСВ нагрузки тоже, как минимум, о многом говорит.

У меня такое было когда только начинал работать с усилителями. Правда усилитель был 4 Вт. Горел и всегда по разному. Тоже понимал, что может быть возбуд, но никак не мог его засечь. Потом просто взял S параметры транзистора ( благо они давались производителем) и посчитал коэффициент устойчивоости. И что же выяснилось, что мой транзистор потенциально неустойчив.
Что это значит. Это значит, что коэффиент устойчивости близок к 1. И что при определенных условиях усилитель возбуждается.

Если взять S-параметры транзистора, то по Вашей методике практически любой транзистор на определённых частотах будет иметь зоны неустойчивой работы. Хороший полосовой транзистор (рассматриваемого в данной теме класса) обязан быть устойчив только в разрешённом производителем рабочем диапазоне частот.
Если уж рассматривать транзистор как «черный ящик», без понимания того, что необходимо для обеспечения его устойчивой работы в конкретном усилителе. То хотя бы имеет смысл считать коэффициенты устойчивости для всего усилителя в целом, а не обвинять производителя в том, что он выпускает где-то там по частоте неустойчивый транзистор. Но в этом случае стоит задаться вопросом, а насколько верна будет модель Вашего усилителя?!
Но и это далеко не решает проблему. Предположим имеются S-параметры на транзистор, снятые в каком-то определённом режиме (обычно номинальное напряжение питания, ток стока). Но эти параметры, как правило, не отражают причины самовозбуждения усилителя при включении (выключении) питания. Дело в том, что часто транзистор выходит из строя, как раз при самовозбуждении на участке нарастания (спада) питающего напряжения при включении (выключении). Т.е. при тех условиях, когда ток стока и напряжение сток-исток далеки от тех режимов, при которых измерялись эти S-параметры.
Поэтому я считаю, что добросовестный разработчик УМ, должен уметь проверять устойчивость усилителя не только теоретически, но и практически, вооружившись анализатором спектра или СВЧ осциллографом, при разных дестабилизирующих факторах.

И если я прав, то выход тока один либо вводить цепи повышения устойчивости, либо искать другой транзитстор.

Я бы выбрал второе, потому как и Вы заметили (в предыдущее посте об этом было сказано)

И вообще транзистор этот рекомендуется применнять 0т 700 до 1000 МГц.

Я бы сказал, что этот транзистор категорически запрещается применять за рамками указанных частот, потому как в нём есть выходная согласующая цепь.

[serega_sh____]

Уважаемый, MePavel. Мне очень интересны Ваши ответы. И некоторые моменты в ваших ответах для меня неизвестны и интересны. Прошу прощения за вопросы немного не по теме топика, но около него.
Я задавал вопрос - В каких случаях целесообразно использовать транзисторы в запредельных режимах? Кто это делает?
Я задал, потому, что в современных описаниях на транзисторы уже четко приводятся рекомендуемые режимы работы транзистора и знания о недонапряженном и перенапряжённом режимах работы уже менее оперируются у разработчиков в их расчётах. Поэтому, мне было очень интересно услышать Ваш ответ.

Хочу ещё задать вопрос, который для меня неясен. Вы сказали:

Поэтому я считаю, что добросовестный разработчик УМ, должен уметь проверять устойчивость усилителя не только теоретически, но и практически, вооружившись анализатором спектра или СВЧ осциллографом, при разных дестабилизирующих факторах.

Как это Вы делаете? Пусть усилитель работает на частоте 1ГГц. Что можно увидеть осциллографом и как сделать вывод об устойчивости? И тоже самое об анализаторе спектра? Что за операции необходимо сделать, чтоб увидеть неустойчивость усилительного каскада и при этом его не спалить... Какие есть опасности при этой проверке.


Я например в своей работе использую диаграмму Смитта, которая очень хорошо показывает слабые места. Если на какой то частоте, или при включении диаграмма S11 выходит за пределы единичной области (или приблежается к ней) то это и есть область неустойчивой работы. И второй признак "плавающие горбы" S21 в режимах включения.
Хотя в этой проверке на больших мощностях потребуется рабочее место с очень большим обвесом и линия с прямым доступом к приёмником линии.

[MePavel]

Я задал, потому, что в современных описаниях на транзисторы уже четко приводятся рекомендуемые режимы работы транзистора и знания о недонапряженном и перенапряжённом режимах работы уже менее оперируются у разработчиков в их расчётах.

Интересно узнать какие исходные данные из описания на транзистор Вы используете при разработке УМ?

Хочу ещё задать вопрос, который для меня неясен. Вы сказали:

Как это Вы делаете? Пусть усилитель работает на частоте 1ГГц. Что можно увидеть осциллографом и как сделать вывод об устойчивости? И тоже самое об анализаторе спектра? Что за операции необходимо сделать, чтоб увидеть неустойчивость усилительного каскада и при этом его не спалить... Какие есть опасности при этой проверке.

«Операции, которые необходимо сделать» зависят от конкретного класса (типа) усилителя. И это сильно облегчает поиск наиболее уязвимых мест.
В общих чертах проверку можно подразделить на два типа:
1-тип. Анализ устойчивости при разных режимах по постоянному току.
Смысл в том, что транзистор – это нелинейный прибор. И поэтому в одних режимах по постоянному току усилитель может быть устойчив, а в других нет.
2-тип. Анализ устойчивости при различных КСВН нагрузки и источника при всех фазовых углах в широком диапазоне частот.

Второй тип проверки целесообразно проводить при наиболее критичных режимах по постоянному току.
При всех видах проверки с помощью анализатора спектра или СВЧ осциллографа проверяется наличие паразитных осцилляций. Эффективность и скорость такой проверки будет тем лучше, чем лучше знания критических режимов конкретного УМ и транзистора. Тоже касается вопроса о том, как не «сжечь» прибор. Например, можно начинать проверку с малых напряжений питания и потом его плавно наращивать. Паразитная осцилляция, регистрируемая на таких «начальных» стадиях, как правило, безвредна для транзистора.
Исследовать устойчивость с помощью анализатора спектра можно и при наличии входного сигнала, с плавным увеличением уровня последнего.

Я например в своей работе использую диаграмму Смитта, которая очень хорошо показывает слабые места. Если на какой то частоте, или при включении диаграмма S11 выходит за пределы единичной области (или приблежается к ней) то это и есть область неустойчивой работы. И второй признак "плавающие горбы" S21 в режимах включения.

На мой взгляд, такой признак как «S11 выходит за пределы единичной области» да ещё и за пределами рабочего диапазона частот ещё не говорит о чём-то. И не понятно, как Вы можете это заметить при включении? Кроме того, измерения S-параметров на малом сигнале в одном режиме по постоянному току малоинформативны, да ещё и с такими критериями устойчивости.

Хотя в этой проверке на больших мощностях потребуется рабочее место с очень большим обвесом и линия с прямым доступом к приёмником линии.

Такое рабочее местно, конечно, можно и даже нужно использовать для анализа устойчивости. Но это не очень экономически оправдано. И опять же все эти S-параметры надо снимать в разных режимах по постоянному току или хотя бы при разных уровнях входной мощности. Преимущество такого метода в том, что второй тип, мною предлагаемой, проверки можно сделать в симуляторе.

[serega_sh____]

Интересно узнать какие исходные данные из описания на транзистор Вы используете при разработке УМ?

В соответствии с рекомендуемым режимом работы по описанию. Этот режим оптимальный и производитель вряд ли будет приводить в своём описании не оптимальный режим (т.е. рекомендуемое напряжение питания (Vds) В и начальный ток стока (Idq)). Так же, часто производитель ни даёт никаких других данных кроме Z-параметров на СЦ и тут уж ни куда не прыгнуть. А уж если смотреть на мощные отечественные транзисторы (например 2п998), то там S-параметры или неправильно измерены и при моделировании не получить положительного усиления или у меня кривые руки.
Часто напряжение питания всего блока определяется напряжением питания выходного транзистора.

«Операции, которые необходимо сделать» зависят от конкретного класса (типа) усилителя. И это сильно облегчает поиск наиболее уязвимых мест.
При всех видах проверки с помощью анализатора спектра или СВЧ осциллографа проверяется наличие паразитных осцилляций. Эффективность и скорость такой проверки будет тем лучше, чем лучше знания критических режимов конкретного УМ и транзистора. Тоже касается вопроса о том, как не «сжечь» прибор. Например, можно начинать проверку с малых напряжений питания и потом его плавно наращивать. Паразитная осцилляция, регистрируемая на таких «начальных» стадиях, как правило, безвредна для транзистора.
Исследовать устойчивость с помощью анализатора спектра можно и при наличии входного сигнала, с плавным увеличением уровня последнего.

Спасибо. Понятна Ваша методика. Но позволю заметить, что потенциальная неустойчивость и наличие генерации это несколько разные вещи. Часто транзисторы возбуждаются в самых неудобных проверках, часто на климатах и тут уж мало вероятно, что Ваш регулировщик будет проверять/регулировать на малых напряжениях питания в климатах. Если в НУ его можно заставить "плавно" включать транзистор (например повышать напряжение питания в пять шагов и при этом открывать его пятью шагами тока). А если ещё и климат при этом делать.... Нереально.

На мой взгляд, такой признак как «S11 выходит за пределы единичной области» да ещё и за пределами рабочего диапазона частот ещё не говорит о чём-то. И не понятно, как Вы можете это заметить при включении? Кроме того, измерения S-параметров на малом сигнале в одном режиме по постоянному току малоинформативны, да ещё и с такими критериями устойчивости.
Такое рабочее местно, конечно, можно и даже нужно использовать для анализа устойчивости. Но это не очень экономически оправдано. И опять же все эти S-параметры надо снимать в разных режимах по постоянному току или хотя бы при разных уровнях входной мощности. Преимущество такого метода в том, что второй тип, мною предлагаемой, проверки можно сделать в симуляторе.

Мы проверяем S-параметры как при малом сигнале, так и при "большом" (номинальном). И проверяем на разных режимах работы по постоянному току. Главное тестировать с головой: большую мощность включать только в рабочем диапазоне.,А устойчивость проверять на малом в широкой полосе частот.
И по S-параметрам всё очень хорошо видно. Например мы своих регулировщиков натаскиваем на то, чтоб в любых режимах КСВ входа не улетало за половину круга. А если КСВ вышло, за единичный радиус, то значит создались такие условия, что сигнал с выхода транзистора попадает на вход, и тем самым получается отрицательное сопротивление каскада.

Сегодня измерительная схема для измерения S-параметров на большом сигнале не такая уж затратная. Направленники minicircuits линейны от 300МГЦ до 3ГГц. Раскачивающие усилители, то же широкополосны. Измерительные линии - сверх широкополосны. В принципе всё решаемо и универсально, под разные частотные диапазоны. Мы закупили рабочее место за несколько лет, с разных заказов.
А симулятор, часто не получается использовать в связи с отсутствием моделей. Или модели неадекватны, т.к. измерены с большими погрешностями и ошибками.

[MePavel]

Спасибо. Понятна Ваша методика. Но позволю заметить, что потенциальная неустойчивость и наличие генерации это несколько разные вещи.

Потенциальная неустойчивость – понятие растяжимое. С этой точки зрения и любой транзистор может быть потенциально неустойчив. Разумеется, что оценивать устойчивость, запас устойчивости лучше по S-параметрам (или другим параметрам). Можно, например, измерить двухпортовые S-параметры входной и выходной согласующей цепи реального усилителя. Затем замерить S-параметры транзистора в различных режимах по постоянному току.
Если усилитель не имеет ООС по напряжению, то интересны S-параметры транзистора при номинальном напряжении питания и напряжении 5-10 В при таких токах стока, на которых коэффициент передачи S21 будет максимален (главное за ОБР не выйти). Далее всё это загоняется в симулятор и считаются коэффициенты устойчивости как обычно. С помощью такого метода можно достаточно достоверно оценить устойчивость (запас устойчивости), не прибегая к измерениям на большом сигнале вообще.

Часто транзисторы возбуждаются в самых неудобных проверках, часто на климатах и тут уж мало вероятно, что Ваш регулировщик будет проверять/регулировать на малых напряжениях питания в климатах. Если в НУ его можно заставить "плавно" включать транзистор (например повышать напряжение питания в пять шагов и при этом открывать его пятью шагами тока). А если ещё и климат при этом делать.... Нереально.

Ну это Вы преувеличиваете. Регулировщик не должен вообще этим заниматься. Оценка устойчивости – это задача разработчика УМ. По напряжению и току 2-3 шага более чем достаточно. Причём если делать по тем методам, которые описаны в предыдущем посте, то отсутствие самовозбуждения в самых неприятных режимах уже будет свидетельствовать о том, что запас по устойчивости есть, поскольку в реальных условиях усилитель до этих критических режимов несколько не доходит. Что касается климата. То известно, что при низких температурах крутизна (следовательно и усиление) у полевых транзисторов немного выше (весьма немного, чтобы говорит о реальных опасностях).

Мы проверяем S-параметры как при малом сигнале, так и при "большом" (номинальном). И проверяем на разных режимах работы по постоянному току.

Что касается проверки на малом сигнале и разных режимах работы по постоянному току, то есть сомнения, что режимы по постоянному току настолько уж и «разные». Скорее всего это допустимые диапазоны напряжения питания и смещения УМ, которые прописаны ТЗ (ТУ).

Главное тестировать с головой: большую мощность включать только в рабочем диапазоне.,А устойчивость проверять на малом в широкой полосе частот.

Главное на малом сигнале «с головой» выбирать режим по постоянному току. А то смысла нет вообще этим заниматься. И оценивать устойчивость, как мне думается, лучше не по выходу S11 за единичный круг (|S11|>1), а с использованием хотя бы коэффициентов устойчивости. Потому как предположим имеется входной аттенюатор или потери во входной СЦ. Усилитель может самовозбуждаться, а |S11| будет меньше 1. Кроме того, не стоит забывать про уход (погрешнось) калибровки векторного анализатора (VNA). Да и вообще условие |S11|>1 не есть необходимое и достаточное условие самовозбуждения. Если Вы построите модель типичного СВЧ транзистора с внутренними цепями согласования или возьмете у производителя (сами измерите) его S-параметры, то может оказаться на частотах, к примеру, 10-200 МГц что |S11|>1. Однако реально измеряемый транзистор не возбуждается.

И по S-параметрам всё очень хорошо видно.

По ним всё хорошо видно, но главное измерить S-параметры именно в «нужных» режимах.

Например мы своих регулировщиков натаскиваем на то, чтоб в любых режимах КСВ входа не улетало за половину круга. А если КСВ вышло, за единичный радиус, то значит создались такие условия, что сигнал с выхода транзистора попадает на вход, и тем самым получается отрицательное сопротивление каскада.

Насколько я понял имелось ввиду не КСВ, а коэффициент отражения входа S11. Тогда насчет половины круга не совсем понял. Что касается |S11|>1, то это действительно означает отрицательную активную составляющую входного импеданса. Но тут возникает вопрос, а что если далеко за рабочим диапазоном частот коэффициент отражения от входа и должен быть близок к единице, а тут небольшой уход калибровки VNA (или износ калибровочного набора, разъёмов) и получаем, что |S11|>1. Поэтому мне не очень понятен механизм оценки запаса устойчивости.

Сегодня измерительная схема для измерения S-параметров на большом сигнале не такая уж затратная. Направленники minicircuits линейны от 300МГЦ до 3ГГц. Раскачивающие усилители, то же широкополосны. Измерительные линии - сверх широкополосны. В принципе всё решаемо и универсально, под разные частотные диапазоны. Мы закупили рабочее место за несколько лет, с разных заказов.

Полезное оборудование, но специализированное. Не у каждого имеется такое под рукой.

А симулятор, часто не получается использовать в связи с отсутствием моделей. Или модели неадекватны, т.к. измерены с большими погрешностями и ошибками.

Так у вас же есть такое оборудование. В чём проблема самим создать модели (хотя бы линейные в режиме большого сигнала)?

[serega_sh____]

Офф. топик.-------------------------
2 MePavel спасибо. Ваши ответы дают очень много информации для размышления. Будем стараться и улучшать.

Оборудование есть, но вот мы не всё умеем. Например даже если измерим полную матрицу S-параметров усилительного каскада. Мы пока не сможем вычесть СЦ, т.к. измерять СЦ с очень низкими сопротивлениями при помощи векторного анализатора цепей неумеем. Ну или умеем, но пока погрешность таких измерений у нас очень большая.
А ещё, если делать самим S-параметры, то для каждой частоты необходима оснастка (вплоть до нескольких мегагерц, где наиболее вероятно возбуждение). На что мы пока не готовы. Например видно что S-параметры новых транзисторов от triquint (если мне память не изменяет) "склеины" из нескольких кусочков. Там видны провалы и разрывы на границах. И в принципе понятно, что использовалось несколько макетов на нескольких частотах.
------------------------конец.

[MePavel]

Оборудование есть, но вот мы не всё умеем. Например даже если измерим полную матрицу S-параметров усилительного каскада. Мы пока не сможем вычесть СЦ, т.к. измерять СЦ с очень низкими сопротивлениями при помощи векторного анализатора цепей неумеем.

Тогда самое время познать, что такое de-embedding и т.д..

Ну или умеем, но пока погрешность таких измерений у нас очень большая.

Необходим калибровочный набор и высокостабильные измерительные коаксиальные кабели. Измерять с погрешностью всего лишь несколько десятком мОм в принципе реально.

А ещё, если делать самим S-параметры, то для каждой частоты необходима оснастка (вплоть до нескольких мегагерц, где наиболее вероятно возбуждение).

Если оснастка 50-омная до её нижний предел по частоте ограничивается только разделительными (проходными) конденсаторами и дросселями смещения. Если правильно выбрать цепи смещения, то самовозбуждение на частотах в несколько мегагерц в принципе быть не должно. Наиболее опасны возбуждения «внутри» транзистора (обычно это частоты сотни и единицы гигагерц). Но это уже проблемы производителя данного транзистора. Такой транзистор лучше сразу выкинуть. Если транзисторы мощные, то лучше использовать оснастку с широкодиапазонной понижающей трансформацией импеданса.

На что мы пока не готовы. Например видно что S-параметры новых транзисторов от triquint (если мне память не изменяет) "склеины" из нескольких кусочков. Там видны провалы и разрывы на границах. И в принципе понятно, что использовалось несколько макетов на нескольких частотах.

Измерял S-параметры GaN транзисторов triquint в своей оснастке без каких-либо проблем в диапазоне 50 – 8000 МГц (можно и ниже по частоте, но смысла не было). С измерениями производителя всё сходится без проблем.

Если включение усилителя сделано правильно (сначала подается напряжение затвора, а затем напряжение питание), то усилок в принципе не должен возбуждаться при включении, если он возбуждается то опять же это говорит о его неустойчивости.

Насчёт порядка подачи входного и выходного смещения я с Вами согласен. Это зачастую спасает транзистору жизнь на этапе разработки с включенным ограничением по току источника питания, но это уже другая история. Но как раз при таком порядке включения гарантировано проявление неустойчивой работы усилителя при пониженных напряжениях питания (когда выходная ёмкость транзистора достаточно велика). А всё очень просто. Подав напряжение на затвор, вы заблаговременно открываете транзистор и он остаётся открыт всегда, пока нарастает напряжение сток-исток. Таким образом, усилительный каскад попадает в зону неустойчивой работы, будучи в открытом состоянии… А потом разработчик гадает, почему у него выбило очередной LDMOST при включении. Аналогично с выключением.
Рекомендую ознакомиться с временной диаграммой подачи входного и выходного смещения в руководстве на модуль смещения GaN транзистора от NXP AN11130 (там же говорится о самовозбуждении при малых напряжениях сток-исток).

For a given VGS, GaN HEMTs are likely to be potentially unstable at lower VDS.
Therefore, decrease the gate voltage to below the pinch-off voltage VP (such as 3 V)
while the drain voltage is being turned on and off.

Но, как показывает практика, большинство современных LDMOST (да и GaN HEMT) именитых производителей не возбуждается ни при каких режимах по постоянному току (следовательно не влияет и порядок подачи смещения), если усилитель грамотно спроектирован.

Сообщение отредактировал MePavel - Jan 13 2014, 17:41