Radioelektronik Audio-HiFi-Video 8/2001

Do niedawna nie by³o

krzemowych scalonych

wzmacniaczy du¿ej mocy,

które mog³y by byæ

zastosowane

w stopniach

wyjœciowych urz¹dzeñ

telekomunikacyjnych

w.cz. Pierwszy powa¿ny

krok naprzód stanowi

scalony krzemowy

wzmacniacz mocy

wielkiej czêstotliwoœci

do telefonów

bezprzewodowych.

W

a¿n¹ regu³¹ czêsto praktyko-

wan¹ w odniesieniu do uk³a-

dów wzmacniaj¹cych sygna-

³y wielkiej czêstotliwoœci jest

¿¹danie, by czêstotliwoœæ przenoszenia (f

T

)

– parametr okreœlaj¹cy w³aœciwoœci czê-

stotliwoœciowe tranzystora – by³a przynaj-

mniej dziesiêæ razy wiêksza od czêstotli-

woœci roboczej. O ile ta regu³a sprawdza³a

siê w blokach ma³osygna³owych, to kon-

strukcja scalonych stopni wyjœciowych sca-

lonych wzmacniaczy mocy narzuca jeszcze

wiele innych wymagañ zwi¹zanych œciœle

z procesami technologicznymi. W tej sytu-

acji najlepsze wyniki dawa³y jeszcze do nie-

dawna tranzystory polowe MESFET wyko-

nywane z arsenku galu (GaAs).

Wzrost rynku telefonii bezprzewodowej

stworzy³ silny nacisk na producentów podze-

spo³ów. Producenci urz¹dzeñ ¿¹daj¹ zwiêk-

szenia produkcji i obni¿enia kosztów podze-

spo³ów stosowanych w coraz wiêkszej licz-

bie ró¿nych elektronicznych „zabawek”.

Krzemowe uk³ady scalone z³o¿one z tranzy-

storów bipolarnych s¹ w stanie spe³niæ wy-

magania stawiane równie¿ uk³adom niecy-

frowym.

Wspó³czesne tranzystory krzemowe maj¹

parametr f

T

w granicach 25 GHz i wiêcej,

a krzem jest w stanie spe³niæ inne technicz-

KRZEMOWE WZMACNIACZE

DU¯EJ MOCY,

WIELKIEJ CZÊSTOTLIWOŒCI

ne wymagania stawiane wzmacniaczom

mocy. Wykorzystanie rozwi¹zañ konstrukcyj-

nych stopni wyjœciowych z tranzystorami

krzemowymi u³atwi ich scalenie z pozosta-

³ymi blokami funkcjonalnymi urz¹dzeñ tele-

komunikacyjnych. Szczególnie, koniecz-

noœæ sterowania moc¹ wyjœciow¹ i aktywna

linearyzacja stanowi¹ dwie najistotniejsze

cechy niezbêdne w urz¹dzeniach drugiej

generacji (GPRS) i przygotowywanych urz¹-

dzeniach trzeciej generacji (UMTS).

Uziemienie

Jednym z najwa¿niejszych czynników decy-

duj¹cych o parametrach koñcowych sca-

lonego wzmacniacza mocy jest dobre uzie-

mienie, a œciœlej dobre po³¹czenie (ma³a

indukcyjnoϾ i rezystancja) od pola masy na

jego strukturze do masy uk³adu zewnêtrzne-

r

PODZESPO£Y

16

go. Tego typu problemy daj¹ o sobie znaæ

nawet we wzmacniaczach mocy akustycz-

nej, zawsze s¹ stosowane niezale¿ne wy-

prowadzenia masy czêœci ma³o- i wielkosy-

gna³owej. Du¿a impedancja przewodu po-

³¹czeniowego, przez który p³ynie du¿y pr¹d

wyjœciowy, powoduje niepo¿¹dane sprzê¿e-

nia zwrotne, które mo¿e byæ czasem dodat-

nie i powodowaæ niestabiln¹ pracê uk³adu.

Najczêœciej stosowanym rozwi¹zaniem jest

zwielokrotnienie po³¹czeñ uziemiaj¹cych

od p³ytki krzemowej (struktury, czipu) do

ramki wyprowadzeniowej (a¿uru). Zalecane

jest równie¿ uziemianie mo¿liwie najwiêk-

szych czêœci powierzchni a¿uru.

Jednak¿e, przy wielkich czêstotliwoœciach,

przewody ³¹cz¹ce pola wyprowadzeniowe

na strukturze z odpowiednimi punktami a¿u-

ru, a œciœlej ich indukcyjnoœæ, wprowadza

istotne ograniczenia czêstotliwoœciowe.

Konstrukcja tranzystorów

W procesie technologicznym stosowanym

w oddziale pó³przewodnikowym firmy Erics-

son, do produkcji krzemowych scalonych

wzmacniaczy mocy wielkiej czêstotliwoœci

uzyskuje siê tranzystory bipolarne o czêsto-

tliwoœciach przenoszenia f

T

oko³o 25 GHz,

n-p-n i p-n-p zdolne do pracy przy napiêciu

5 V, zarówno w uk³adach analogowych jak

i cyfrowych. Istnieje mo¿liwoœæ wytwarzania

w tej samej strukturze scalonych biernych

obwodów dopasowuj¹cych, sk³adaj¹cych

siê z cewek i kondensatorów. Przy czêsto-

tliwoœciach rzêdu gigaherców niezbêdne

wartoœci indukcyjnoœci i pojemnoœci s¹ bar-

dzo ma³e (pojedyncze nanohenry i pikofa-

rady) i zajmuj¹ niewiele miejsca na struktu-

rze. Stosuje siê cztery warstwy metalizacji,

przy czym warstwa le¿¹ca najwy¿ej jest

najgrubsza i charakteryzuje siê mal¹ rezy-

stancj¹, która jest niezbêdna do uzyskania

du¿ej dobroci monolitycznych cewek. Widok

przekroju tranzystora n-p-n jest przedstawio-

ny na rys.1.

Jak stwierdzono uprzednio, dobre uziemie-

nie stanowi o jakoœci wzmacniacza mocy.

Dodatkowo, oprócz z³otych przewodów

monta¿owych ³¹cz¹cych pola wyprowadze-

Rys. 1. Przekrój tranzystora n-p-n w scalonym

wzmacniaczu mocy

17

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 8/2001

niowe struktury z a¿urem, pod³o¿e uk³adu

scalonego (tylna warstwa p³ytki krzemowej)

jest zwykle równie¿ po³¹czone z mas¹, dziê-

ki czemu mo¿liwe jest wykorzystanie wypro-

wadzeñ pod³o¿a p³ytki krzemowej jako osta-

tecznego punktu uziemiaj¹cego uk³adu sca-

lonego. Pole kontaktowe, w celu uzyska-

nia ma³ej rezystywnoœci, jest tworzone w ob-

szarze wysokodomieszkowanym. Ma³a re-

zystancja obszaru kontaktu jest okupiona

doœæ du¿¹ powierzchni¹ pola kontaktowego.

Ponadto, na strukturze znajduje siê kilka

dodatkowych pól kontaktowych o potencja-

le masy, ulokowanych w obszarach œre-

dniodomieszkowanych, o wiêkszej rezy-

stywnoœci. Maj¹ one na celu zwiêkszenie

liczby œcie¿ek ³¹cz¹cych z mas¹. W wielu

uk³adach scalonych wielkiej czêstotliwoœci,

pracuj¹cych przy mniejszych mocach wyj-

œciowych, nie ma koniecznoœci stosowania

wysokodomieszkowanych obszarów pól

kontaktowych, a ma³¹ indukcyjnoœæ i rezy-

stancjê od struktury do masy uzyskuje siê je-

dynie metod¹ zwielokrotnienia po³¹czeñ.

Na rys. 2 przedstawiono wygl¹d struktury uk³a-

du scalonego PBL 403 09, jego rzeczywiste

wymiary wynosz¹ 1,3 x 1,0 mm.

Pierwsze zastosowanie –

wzmacniacz mocy DECT

DECT (Digital Enhanced Cordless Tele-

communications) jest standardem bezprze-

wodowej telekomunikacji cyfrowej, stoso-

wanym w przenoœnych aparatach telefo-

nicznych biurowych i domowych. Moc wyj-

œciowa uk³adów nadawczych nie przekracza

0,5 W (27 dBm), a czêstotliwoœæ robocza

wynosi 1,9 GHz. Zarówno moc wyjœciowa,

jak i ogólne wymagania dotycz¹ce wzmac-

niacza, s¹ ³atwiejsze do spe³nienia ni¿ wy-

magania dotycz¹ce wzmacniacza mocy

w telefonach GSM.

Scalony wzmacniacz mocy DECT, ozna-

czony PBL 403 09, montowany w obudo-

wie QSOP16, charakteryzuje siê moc¹ wyj-

œciow¹ 30 dBm (1 W) oraz sprawnoœci¹

50% przy czêstotliwoœci 1,9 GHz. Uk³ad

mo¿e pracowaæ z pe³n¹ moc¹ i ze wspó³-

czynnikiem wype³nienia do 100%. Zawiera

dwa stopnie wzmacniaj¹ce, wejœcie i wyjœcie

uk³adu scalonego s¹ typu ró¿nicowego (sy-

metryczne), a wszystkie rezystancje wej-

œciowe i wyjœciowe s¹ równe po 50

Ω

. We-

wn¹trz uk³adu scalonego pomieszczono

obwody polaryzuj¹ce i w³¹czaj¹ce/wy³¹cza-

j¹ce. Typowe napiêcie zasilania uk³adu sca-

lonego wynosi 3,6 V, ale uk³ad wytrzymu-

je zasilanie napiêciem nawet wiêkszym ni¿

5 V, zdarzaj¹cym siê np. podczas ³adowa-

nia baterii zasilaj¹cej.

Scalony wzmacniacz mocy PBL 403 09 jest

przeznaczony do wspó³pracy z uk³adem

scalonym PBL 402 15 – transceiverem do

telefonów DECT. Ma on, podobnie jak

wzmacniacz mocy, wyjœcie symetryczne,

które jest sprzêgane z uk³adem wyjœcio-

wym przy u¿yciu kondensatorów. Wspó³-

pracê obu uk³adów scalonych przedstawio-

no schematycznie na rysunku 3. Parametry

wzmacniacza mocy z uk³adem scalonym

PBL 403 09 s¹ porównywalne z uzyskiwa-

nymi przy stosowaniu tranzystorów du¿ej

mocy wykonanych z arsenku galu.

Rys. 2.
Wygl¹d struktury
scalonego
wzmacniacza
mocy wielkiej
czêstotliwoœci

Rys. 3. Wspó³praca wzmacniacza mocy PBL 403 09 z uk³adem scalonym PBL 402 15 – transceiverem

do telefonów DECT

Rys. 4. Charakterystyki wejœcie-wyjœcie

wzmacniacza scalonego PBL 403 10

Co dalej ?

W firmie Ericsson s¹ prowadzone inten-

sywne prace maj¹ce na celu przygotowanie

scalonych wzmacniaczy mocy spe³niaj¹-

cych wymagania telefonii GSM 900 MHz i

GSM 1800/1900 MHz, jak równie¿ do te-

lefonów dwu- i trójpasmowych oraz innych

urz¹dzeñ bezprzewodowych, takich jak np.

Bluetooth. Na rys. 4 przedstawiono charak-

terystykê wejœcie-wyjœcie wzmacniacza sca-

lonego PBL 403 10 przeznaczonego do

pracy w telefonii GSM 900 MHz. Przy za-

silaniu napiêciem 3,4 V uk³ad dostarcza

moc wyjœciow¹ 35,5 dBm ze sprawnoœci¹

przekraczaj¹c¹ 55% i ma³osygna³owym

wzmocnieniem mocy 31 dB. Podobnie jak

jego poprzednik jest to wzmacniacz dwu-

stopniowy, przewidziany do zasilania jednym

napiêciem w zakresie 2,7

÷

5 V. W stanie

spoczynkowym pobiera ze Ÿród³a zasilania

pr¹d zaledwie 10

µ

A.

n

Cezary Rudnicki

Wyjœcie

Moc wyjœciowa [dBm] lub wzmocnienie [dB]

Moc wejœciowa [dBm]

Sprawnoœc %

P

wy

Wzmocnienie

SprawnoϾ