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?

[Jurenja]

имхо при перепрыгивании по частоте на стоке получается большой выброс напряжения, который через емкость сток-затвор передается на затвор и получаете пробой сток-затвор.
или, что менее вероятно, при перестройке по частоте попадаете на какой-то локальный резонанс, напряжение на стоке становится больше и далее как в первом варианте.

[virtual9900]

работает усилитель на несогласованную нагрузку с постоянно изменяющимся импедансом

В каких пределах колеблется КБВ? 0,3 или ниже, вплоть до ХХ и КЗ?

амплитуда входного напряжения не превышает 1В, работает в линейном режиме (напряжение смещения 2.8В, ток покоя порядка 500мА)

При этом скоко на выходе снимаете?

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.

От чего, собственно, подаете возбуждение - возможны кратковременные всплески уровня, выбивают транзистор.
Также интересно, как организована цепь смещения - наводка может детектироваться и далее "эффект паровоза".

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?

По входу это как? Затвор на сток коротит?

Сообщение отредактировал virtual9900 - Dec 28 2013, 11:08

[DKundaliou]

По входу это как? Затвор на сток коротит?

Затвор на исток пробивает, цепь смещения управляется пик контроллером через ЦАП, маловероятно что там наводки т.к. они ограждены от входного каскада перегородкой и наклеен поглатитель на крышку корпуса, по поводу КБВ не знаю, на выходе амплитуда порядка 20В.

[serega_sh____]

Затвор на исток пробивает, цепь смещения управляется пик контроллером через ЦАП, маловероятно что там наводки т.к. они ограждены от входного каскада перегородкой и наклеен поглатитель на крышку корпуса, по поводу КБВ не знаю, на выходе амплитуда порядка 20В.

1. А как Вы цепи согласования сделали? Сами повторили на текстолите из файла описания или отдавали кому то на расчёт?
2. Чем измеряли выходную амплитуду на 400Мц? И как это вообще делается. Я не в курсе. Научите

[virtual9900]

Затвор на исток пробивает, цепь смещения управляется пик контроллером через ЦАП, маловероятно что там наводки т.к. они ограждены от входного каскада перегородкой и наклеен поглатитель на крышку корпуса, по поводу КБВ не знаю, на выходе амплитуда порядка 20В.

Напряжение на выходе это на какой импеданс? На не известно какой КСВН еще работаете..
На согласованную нагрузку транзисторы нормально работают?
Солидарен с serega_sh____, мощностью оперировать проще.
Цепь смещения пробовали без ЦАПа - многооборотный потенциометр и зафильтровать как следует? Может у PIC`а мозги от СВЧ съезжают.

От чего, собственно, подаете возбуждение - возможны кратковременные всплески уровня, выбивают транзистор.

Сообщение отредактировал virtual9900 - Dec 29 2013, 17:13

[MePavel]

имхо при перепрыгивании по частоте на стоке получается большой выброс напряжения, который через емкость сток-затвор передается на затвор и получаете пробой сток-затвор.
или, что менее вероятно, при перестройке по частоте попадаете на какой-то локальный резонанс, напряжение на стоке становится больше и далее как в первом варианте.

Такие механизмы выхода из строя LDMOST невозможны. Особенно версия про проходную ёмкость ("ёмкость сток-затвор"). Не будет там никакого большого выброса напряжения на стоке, так как у LDMOS очень низкие пробивные напряжения сток-исток. Представьте себе какой должен быть выброс напряжения, чтобы зарядить входную ёмкость в несколько сотен пикофарад через проходную ёмкость величиной 3 пФ (которая кстати уменьшается с ростом напряжения сток-исток)?
Большинство, кто использует LDMOST в запредельных режимах по напряжению сток-исток почти 100% наблюдают КЗ затвор-исток. И ошибочно начинают строить гипотезы про то, что мол защитный диод пробился от большого сигнала или просто большим входным сигналом пробило подзатворный диэлектрик. Вероятно, то что описывает автор темы, не что иное как превышение V(BR)DSS (drain-source breakdown voltage) (или Uси max русс.) с превышением энергии лавинного пробоя. Из-за этого часть LDMOST структуры с наиболее низким пробивным напряжением сгорает. При этом её стоковая металлизация отгорает от общей стоковой шины ввиду больших токов источника питания стока. Поэтому по выходу на первый взгляд кажется, что транзистор рабочий. Однако если замерить RDS(on) или крутизну, то можно заметить, что эти параметры ухудшились. Но поскольку токи входного смещения малы да и сопротивление затворных полосков достаточно велико, то отгорание "по входу" дефективной ячейки не происходит. Поэтому в этом случае наблюдается КЗ по входу.

самовозбуждения по приборам не наблюдается, да и нет цепи положительной обратной связи по которой оно могло бы происходить,

Отсутствие явной "положительной обратной связи" (ПОС) - не означает отсутствие паразитной ПОС. Другими словами есть предположение, что рассматриваемый усилитель имеет ошибки с точки зрения обеспечения устойчивости работы столь быстродействующего транзистора. Это одна причина. Проверять устойчивость данного усилителя желательно при токах стока порядка 1 - 1,5 А при напряжении питания от 0 до 20 В при работе с различным импедансом источника и нагрузки усилителя.

Другая причина - элементарные выбросы напряжения сток-исток из-за большой индуктивности в цепи смещения стока или недостаточной величины шунтирующей ёмкости в цепи питания. Слишком большая скорость нарастания при подачи напряжения питания. Звон напряжения на проводах, соединяющих источник питания с УМ и т.д. Слишком большая скорость нарастания напряжения входного смещения. Затяжные переходные процессы, повышенная чувствительность к "неоднородностям" входного импеданса на НЧ - слишком велики разделительные конденсаторы.

Сообщение отредактировал MePavel - Dec 29 2013, 21:24

[virtual9900]

Отсутствие явной "положительной обратной связи" (ПОС) - не означает отсутствие паразитной ПОС. Другими словами есть предположение, что рассматриваемый усилитель имеет ошибки с точки зрения обеспечения устойчивости работы столь быстродействующего транзистора. Это одна причина. Проверять устойчивость данного усилителя желательно при токах стока порядка 1 - 1,5 А при напряжении питания от 0 до 20 В при работе с различным импедансом источника и нагрузки усилителя.

Другая причина - элементарные выбросы напряжения сток-исток из-за большой индуктивности в цепи смещения стока или недостаточной величины шунтирующей ёмкости в цепи питания. Слишком большая скорость нарастания при подачи напряжения питания. Звон напряжения на проводах, соединяющих источник питания с УМ и т.д. Слишком большая скорость нарастания напряжения входного смещения. Затяжные переходные процессы, повышенная чувствительность к "неоднородностям" входного импеданса на НЧ - слишком велики разделительные конденсаторы.

Согласен. Интересно увидеть дизайн sch & pcb.

[khach]

Схемы контроля КСВ выхода и стабилизации мощности есть? Обычно гибель транзистора при скачке частоты связана с тем, что эти схемы не успевают отработать. Поэтому перед перестройкой гетеродина дерните аттенюатор перед предусилителем (исполнительный аттенюатор АРА) коротким импульсом, так чтобы мощность на выходе упала дб на 10, потом перестройте гетеродин, и схема защиты от КСВ как раз успеет устаканить новый режим после перестройки гетеродина. Проверьте сигнала АРА и защиты от КСВ в переходных режимах осциллографом- не должно быть выбросов перерегулирования, иначе надо усложнять схемы НЧ, вплоть до введения аналоговых ПИД регуляторов.
Если АРА полностью цифровая- то прикройте ее перед перестройкой частоты.

[serega_sh____]

Большинство, кто использует LDMOST в запредельных режимах по напряжению сток-исток почти 100% наблюдают КЗ затвор-исток.

Поясните пожалуйста.
1. В каких случаях целесообразно использовать транзисторы в запредельных режимах? Кто это делает?
Или это просто констатация факта возникающая например при плохом КСВ выхода (Vcc+Vp-p_rf+Vксв vs Zout)
2. У меня на фабрике, мне можно проверять на входном контроле Uси max ? (с ограничением тока СИ на 10мкА. Например прибором KEITHLEY 2400) Это будет приводить к порче транзистора?

Однако если замерить RDS(on) или крутизну, то можно заметить, что эти параметры ухудшились. Но поскольку токи входного смещения малы да и сопротивление затворных полосков достаточно велико, то отгорание "по входу" дефективной ячейки не происходит. Поэтому в этом случае наблюдается КЗ по входу.

Помоему ошибка с первым входом.
Я так и не понял почему происходит КЗ по входу?
Когда я рассматривал транзисторы которые я сжигал в изделии они имели локальные микро "взрывы". Вы про это говорили? Что такое "отгорание"?

[khach]

Я так и не понял почему происходит КЗ по входу?
Когда я рассматривал транзисторы которые я сжигал в изделии они имели локальные микро "взрывы". Вы про это говорили? Что такое "отгорание"?

Если копать глубоко, с паталогоанатомическими исследованиями трупов, то микрофотографии в студию. Отгорают обычно бонды по перегрузке по току. Микровзрывы надо исследовать- был ли локальный пробой диэлектрика из за перекачки по напряжению или там что то еще. Также очень интересно глянуть частично подпаленные транзисторы- там причина отказа будет более очевидной.

[MePavel]

Поясните пожалуйста.
1. В каких случаях целесообразно использовать транзисторы в запредельных режимах?

Странный вопрос и непонятно, как он относится к обсуждаемой теме. Запредельные режимы разные бывают. Важно понимать насколько они превышают установленный производителем предел.

Кто это делает?

Так могут «делать» недобросовестные разработчики УМ, пытаясь получить от транзистора, например, больше выходной мощности. Причин вообще много.

Или это просто констатация факта возникающая например при плохом КСВ выхода (Vcc+Vp-p_rf+Vксв vs Zout)

Да. В частности плохой КСВ выхода в рабочем диапазоне частот. Но это не единственная причина превышения Uси max. «КСВ выхода», как правило, всегда плохой далеко за пределами рабочего диапазона частот. И если транзистор возбуждается (сам или внешне) за пределами этого диапазона, то превышение Uси max вполне обычно дело. Кроме того, как я уже писал в предыдущем посте, выбросы напряжения питания (звоны) и любые переходные процессы, связанные с модуляцией смещения и радиочастотного сигнала в неоптимальной схеме могут так же приводить к превышению Uси max.

2. У меня на фабрике, мне можно проверять на входном контроле Uси max ? (с ограничением тока СИ на 10мкА. Например прибором KEITHLEY 2400) Это будет приводить к порче транзистора?

Во-первых, не бывает тока СИ (по-видимому, сказывается неудачный пример буквенных обозначений из ГОСТ 20003-74 для биполярных транзисторов ). У трёхвыводного прибора есть три тока: тока стока, истока и затвора.
Во-вторых, Uси max напрямую померить у Вас так не получится, поскольку этот параметр вычисляется косвенно (по правилу трёх сигм) по результатам измерения пробивного напряжения сток-исток «drain-source breakdown voltage» (русского обозначения этого параметра, как ни странно, нет. В некоторых ОСТах на полевые транзисторы из-за этого вынуждены были писать Uси со штрихами).
Другими словами своим прибором Вы можете измерить пробивное напряжение сток-исток V(BR)DSS при Uзи=0 и заданном токе стока. Для рассматриваемого транзистора BLF6G10(LS)-200RN ток стока равен 0,9 мА.

Это будет приводить к порче транзистора?

В предыдущем посте я писал, что для порчи транзистора одного лишь превышения Uси max недостаточно. Всё зависит от того, какой ток (импульс тока) стока будет при этом. Для ключевых транзисторов принято за дополнительный справочный параметр записывать максимально допустимую энергию лавинного пробоя Eлав max для заданной индуктивности дросселя и температуры корпуса. Для RF транзисторов обычно записывается максимально допустимое значение КСВ нагрузки для всех фаз при заданном напряжении питания, выходной мощности и частоте (в дополнение приводят температуру корпуса, ток покоя, параметры модуляции RF сигнала и т.п.).
Из всего выше написанного можно сделать примерный теоретический расчёт условий, при которых транзистор «выживет» при превышении Uси max. Но для этого надо знать в какой схеме и в каких режимах исходно работает транзистор.
Пока мне известно, что автор темы использует BLF6G10-200RN в диапазоне частот 440-470 МГц. Судя по даташиту BLF6G10-200RN имеет входную и выходную встроенную согласующую цепь и может использоваться на частотах 700 – 1000 МГц. Но обеспечивать заявленные параметры и характеристики обязан лишь в диапазоне частот 869 – 894 МГц.
Использование данного транзистора на частотах 440-470 МГц приведёт к существенным проблемам при согласовании по выходу. Кроме того, на этих частотах сильно возрастёт переменная составляющая тока по выводу стока из-за чрезвычайно низкого выходного импеданса. Вообще проблем намного больше. В частности и из-за наличия выходного МОП-конденсатора большой ёмкости. Так что ждать нормальной работы транзистора при эксплуатации его на недопустимых частотах считаю бессмысленно. Мне непонятно, почему нельзя было выбрать любой транзистор, хотя бы без внутренней выходной цепи согласования?
P.S. Возвращаясь к вопросу о порче транзистора током стока 10 мкА при превышении Uси. Если говорить о постоянном токе стока, то этот транзистор вполне может выдерживать десятые доли и единицы ампера. Только вот с динамическими свойствами LDMOST это слабо согласуется.

Помоему ошибка с первым входом.

Ошибки в этом не нахожу. Везде писалось именно о входе и в первой и во второй части предложения.

Я так и не понял почему происходит КЗ по входу?

Потому что к общей шине затвора подходит полоска от сгоревшей ячейки. Она замыкает на исток. Посмотрите топологию металлизации и структуру любого RF LDMOST в интернете.

Когда я рассматривал транзисторы которые я сжигал в изделии они имели локальные микро "взрывы". Вы про это говорили? Что такое "отгорание"?

Скорее всего именно про это. Полоска стоковой металлизации над сгоревшей ячейкой просто плавится и отсоединяется от общей шины стока (эффект плавкого предохранителя). Причём если сгорает небольшое количество ячеек, то по выходным характеристикам транзистора зачастую достаточно трудно увидеть проблемы. А вот утечка по затвору сразу всё проясняет (т.е. КЗ входа). Если подать 10 – 20 В на затвор-исток, то иногда удаётся «избавиться» от дефективной ячейки и по входу тем самым можно использовать транзистор дальше. Но, разумеется, что RF параметры ухудшаться.

[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.