Проблемы работы МОП транзистора в неоптимальных режимах Опции

[Stefan1]

Доброго времени суток!
Кто сталкивался с проблемами в работе МОП транзистора в режиме когда на него подается повышенная входная мощность, но снижается напряжение питания (чтобы не перегреть)? К примеру, я снижу напряжение питания с 32 В (как указано в даташитах) до 15 или 20 В, но подниму входную мощность. Какие здесь могут быть трудности? В моем случае транзистор - ILD2731M30.

И еще в продолжение вопроса: чем грозит ситуация если подобрать нагрузку таким образом, чтобы транзистор работал в перенапряженном режиме (т.е. когда дальнейшее увеличение входной мощности не ведет к существенному увеличению выходной мощности) при пониженном напряжении питания, что ведет к тому, что ток стока транзистора практически не растет при повышении входной мощности и добавлять входную мощность? Зависимость выходной от входной мощности привожу на графике (зависимость теоретическая), транзистор работает в S диапазоне.



Сообщение отредактировал Stefan1 - May 28 2014, 00:57

[MePavel]

но снижается напряжение питания (чтобы не перегреть)?

Что именно не перегреть?

К примеру, я снижу напряжение питания с 32 В (как указано в даташитах) до 15 или 20 В, но подниму входную мощность. Какие здесь могут быть трудности?

А какую выходную мощность хотите при этом получить? Такую же как и в даташите на 32 В?

А про какой тип транзисторов Вы говорите? И как эти параметрические явление у Вас наблюдаются? В моей практике на LDMOS транзисторах не разу с ними не сталкивался (может их не замечал). Но вот на биполярных транзисторах коллеги бывает наблюдают субгармонику.

Это скорее всего классическое самовозбуждения усилителя. Субгармоника - обычно либо основная частота из области неустойчивой работы, либо разность рабочей частоты и частоты, на которой происходит самовозбуждение.

[Stefan1]

Что именно не перегреть?

Транзистор. Чтобы рассеиваемая мощность не превысила критическую.

А какую выходную мощность хотите при этом получить? Такую же как и в даташите на 32 В?

Мощность пускай получится меньше, но КПД должен вырасти.

Это скорее всего классическое самовозбуждения усилителя. Субгармоника - обычно либо основная частота из области неустойчивой работы, либо разность рабочей частоты и частоты, на которой происходит самовозбуждение.

Тогда должен быть резонансный контур в цепях согласования и/или питания с такими частотами или хотя бы близкими к ним (субгармоника), а его нет.

Сообщение отредактировал Stefan1 - May 30 2014, 01:44

[MePavel]

Транзистор. Чтобы рассеиваемая мощность не превысила критическую.

Кроме максимально допустимой рассеиваемой мощности (которая зависит от температуры корпуса, параметров импульса) есть ещё и максимально допустимый ток стока. При снижении напряжения питания даже в случае идеального транзистора, чтобы получить ту же мощность, потребуется больше стокового тока. А если учесть, что при снижении питания увеличивается выходная ёмкость транзисторного кристалла и оптимальный импеданс нагрузки ещё больше снижается, то потребность в большем токе стока будет резко возрастать. Кроме того, для транзисторов со встроенными выходными согласующими цепями (СЦ), изменение выходной емкости транзисторного кристалла вызовет нежелательное перераспределение токов на элементах этой самой СЦ, что может привести к выходу их из строя.

Мощность пускай получится меньше, но КПД должен вырасти.

Не всё так однозначно, в случае работы транзистора на довольно высоких (предельных) частотах. Надо ещё учитывать влияние величины выходной ёмкости и её добротности. Для современных LDMOS транзисторов на частотах порядка 3 ГГц снижения напряжения питания с 32 до 15 - 20 В вызовет снижение выходной мощности в 3-6 раз, а максимальный КПД при этом на определенных напряжениях может возрасти к примеру с 45% до (50 - 55 )% и при дальнейшем снижении питания снова будет уменьшаться (вклад напряжения насыщения сток-исток растет, добротность выходной емкости снижается). Так же не стоит забывать о важнейших ограничениях выходной мощности при снижении напряжения питания - насыщение тока стока и сопротивление сток-исток транзистора в открытом состоянии.
Потому применительно к данному случаю крайне не рекомендуется использовать транзистор в неоптимальных режимах. На частотах ниже 500 МГц для современных LDMOS работа при разных напряжениях питания имеет какой-то смысл, в S-диапазоне нет.

Тогда должен быть резонансный контур в цепях согласования и/или питания с такими частотами или хотя бы близкими к ним (субгармоника), а его нет.

Он есть, Вы, по-видимому, просто его не замечаете. Колебательный контур даже есть внутри транзистора, не говоря уже об отрезке коаксиального кабеля или полосковой линии. К примеру если частота самовозбуждения 3 ГГц, а частота источника сигнала 3,05 МГц, то на разностной частоте равной 50 МГц за счёт продуктов интермодуляционных искажений будет видна Ваша "субгармоника".

[Stefan1]

А если учесть, что при снижении питания увеличивается выходная ёмкость транзисторного кристалла и оптимальный импеданс нагрузки ещё больше снижается, то потребность в большем токе стока будет резко возрастать.

Речь идет об активном оптимальном импедансе? Импеданс выходной емкости падает, при этом мнимая часть оптимального импеданса нагрузки также падает. Т.е. большую выходную емкость отстраиваем меньшей индуктивностью нагрузки, при этом активная составляющая оптимального импеданса нагрузки остается прежней. И ток тоже должен оставаться прежним. Вроде так?

Надо ещё учитывать влияние величины выходной ёмкости и её добротности.

Имеется ввиду - возрастают потери в этой емкости?

К примеру если частота самовозбуждения 3 ГГц, а частота источника сигнала 3,05 МГц, то на разностной частоте равной 50 МГц за счёт продуктов интермодуляционных искажений будет видна Ваша "субгармоника".

Как это на "разностной частоте ... будет видна субгармоника", это же 1,5 ГГц? Есть резонансный контур на 3 ГГц, транзистор на нем генерит, в спектре будет рабочая частота, частота генерации и их комбинация: 50 МГц и 6,05 ГГц, а откуда здесь 1,5 ГГц?

Сообщение отредактировал Stefan1 - Jun 2 2014, 05:21

[MePavel]

Речь идет об активном оптимальном импедансе? Импеданс выходной емкости падает, при этом мнимая часть оптимального импеданса нагрузки также падает. Т.е. большую выходную емкость отстраиваем меньшей индуктивностью нагрузки, при этом активная составляющая оптимального импеданса нагрузки остается прежней. И ток тоже должен оставаться прежним. Вроде так?

Да вроде не совсем так. Чтобы было предметным обсуждение данного вопроса предлагаю Вам нарисовать электрическую эквивалентную схему обсуждаемого LDMOS транзистора на уровне источников тока.

Как это на "разностной частоте ... будет видна субгармоника", это же 1,5 ГГц?

Прошу прощения, но не пойму о каком явлении Вы ведёте речь? Имеется ли у Вас физическое объяснение этому?
P.S. А что будет если самовозбуждение возникает на 4,5 ГГц, а частота сигнала 3 ГГц?

Сообщение отредактировал MePavel - Jun 4 2014, 13:34

[Stefan1]

Да вроде не совсем так. Чтобы было предметным обсуждение данного вопроса предлагаю Вам нарисовать электрическую эквивалентную схему обсуждаемого LDMOS транзистора на уровне источников тока.

Прошу прощения, но не пойму о каком явлении Вы ведёте речь? Имеется ли у Вас физическое объяснение этому?

Имею ввиду возникновение в спектре сигнала частоты равной половине от частоты рабочей. Как мне объяснили, необходимы два условия: существенное изменение выходной емкости от напряжения на выходе и резонансный контур, настроенный на половину рабочей частоты. Резонансный контур на этой частоте видимо возникает в период времени, когда выходная емкость принимает определенное значение. При этом важна частота с которой меняется эта емкость, а не частота генератора. Так я это понимаю.

P.S. А что будет если самовозбуждение возникает на 4,5 ГГц, а частота сигнала 3 ГГц?

Тогда должно возникнуть самовозбуждение и на 1,5 ГГц. Но это относится уже к обычной генерации.

Сообщение отредактировал Stefan1 - Jun 5 2014, 01:53

[MePavel]

Отлично. Типичная ЭЭС транзистора без встроенных цепей согласования. Теперь надо определиться какую мощность надо получить и при каком напряжении питании относительно номинальных режимов. Ещё интересно зачем вообще нужно снижать питание? Какая цель преследуется?

Имею ввиду возникновение в спектре сигнала частоты равной половине от частоты рабочей. Как мне объяснили, необходимы два условия: существенное изменение выходной емкости от напряжения на выходе и резонансный контур, настроенный на половину рабочей частоты. Резонансный контур на этой частоте видимо возникает в период времени, когда выходная емкость принимает определенное значение. При этом важна частота с которой меняется эта емкость, а не частота генератора. Так я это понимаю.

Мне кажется Вам что-то не то объясняют. То что Вы описываете - это как раз результат самовозбуждения на f/2. Причём для усилителей, работающих в классе С (как обычно и работают биполярные транзисторы) или AB, при подаче питания самовозбуждение не будет наблюдаться, т.к. транзистор закрыт или полностью (класс С), или находится на участке с очень малой крутизной характеристики (класс AB). Для того чтобы увидеть это самовозбуждение достаточно либо подать РЧ сигнал, либо просто увеличить ток покоя (при этом желательно ещё и напряжение питания плавно увеличить от 0 до номинального значения).
В устойчивом одночастотном режиме (без самовозбуждения) усилитель не может создать гармонику f/2, какие бы нелинейные ёмкости у транзистора не были. Нарушается вообще принцип разложения в ряд Фурье.

Тогда должно возникнуть самовозбуждение и на 1,5 ГГц. Но это относится уже к обычной генерации.

Как я уже писал выше для класса C и AB автогенерация может возникать под сигналом, который выводит рабочую точку усилителя на участок с более высокой крутизной характеристики транзистора.
Можете считать это "необычной" генерацией. Для меня это обычная неустойчивая работа усилителя или транзистора из-за ошибок в проектировании либо того, либо другого.

Сообщение отредактировал MePavel - Jun 5 2014, 13:57

[Stefan1]

Отлично. Типичная ЭЭС транзистора без встроенных цепей согласования. Теперь надо определиться какую мощность надо получить и при каком напряжении питании относительно номинальных режимов. Ещё интересно зачем вообще нужно снижать питание? Какая цель преследуется?

В реальном транзисторе внутренние цепи есть, просто я их отобразил "свернутыми" к параллельным сопротивлениям Rген, Lген и Rнагр и Lнагр. Выходная мощность должна быть не меньше 30 Вт., но с ней проблем - нет, проблемы с КПД. Для этого и планируется снизить напряжение питания. Напряжение планируется снизить с 32 В примерно до 20 В.

... Для того чтобы увидеть это самовозбуждение достаточно либо подать РЧ сигнал, либо просто увеличить ток покоя (при этом желательно ещё и напряжение питания плавно увеличить от 0 до номинального значения)...

Для этого эффекта не нужны обратные связи. Емкость меняется существенно и периодически, как написал tsww, и есть резонансный контур, настроенный на f/2 и все, сигнала от генератора не надо.

Сообщение отредактировал Stefan1 - Jun 6 2014, 02:36

[MePavel]

В реальном транзисторе внутренние цепи есть, просто я их отобразил "свернутыми" к параллельным сопротивлениям Rген, Lген и Rнагр и Lнагр.

Ну зачем же так сворачивать? При такой "свёртке" мы не сможем корректно оценить токи через внутренние цепи согласования.

Выходная мощность должна быть не меньше 30 Вт., но с ней проблем - нет, проблемы с КПД.

И в чём же заключаются проблемы с КПД? КПД стока ниже, чем заявлено производителем? Какой КПД стока требуется получить? Входное смещение постоянное или импульсное?

Для этого и планируется снизить напряжение питания. Напряжение планируется снизить с 32 В примерно до 20 В.

Интересно как Вы можете физически обосновать почему на 32 В у Вас не получается требуемый КПД? Что этому мешает?

Для этого эффекта не нужны обратные связи.

Ошибаетесь. Паразитные элементы даже внутри корпуса транзистора или внутри транзисторного кристалла - это и есть обратные связи. Я уже молчу про ошибки в конструкции усилителя/транзистора. Наличие паразитных ОС нельзя исключать.

Емкость меняется существенно и периодически, как написал tsww, и есть резонансный контур, настроенный на f/2 и все, сигнала от генератора не надо.

У всех транзисторов ёмкость меняется и от напряжения (тока), и от частоты по вполне известному закону. И какая бы не была нелинейная ёмкость в отсутствии самовозбуждения она не может стать причиной возникновения гармоники на f/2. Это в принципе нарушение самого принципа разложение в ряд Фурье. А то что Вы описываете, что для этого нужен резонансный контур на f/2, то это как раз результат ошибки проектирования усилителя/транзистора в отношении устойчивости к самовозбуждению.

Сообщение отредактировал MePavel - Jun 15 2014, 11:26