Кристалл LDMOS греется в такт речи и плющит огибающую сигнала SSB

Современный коротковолновый усилитель на одном мощном LDMOS подкупает простотой. Одна пара транзисторов вместо стойки ламп, питание от низкого напряжения, мгновенная готовность без прогрева. На несущей и на тоне такой усилитель ведёт себя образцово. Но стоит подать живую речь в однополосной модуляции, как на выходе появляется неприятность, которую не видно на ваттметре, но слышно на дальнем конце. Голос становится чуть зажатым, на пиках появляется призвук, измеритель внеполосных составляющих показывает рост шумов рядом с полосой сигнала.

Виновата не схема согласования и не возбуждение. Виновата температура кристалла, которая успевает меняться в такт огибающей речевого сигнала. Кремниевый кристалл LDMOS мал и греется быстро, его параметры от температуры плывут заметно, и при работе с переменной огибающей он не успевает прийти в равновесие. Каждый слог речи подогревает кристалл чуть иначе, усиление гуляет вслед за нагревом, и огибающая на выходе искажается. Это явление называют тепловым эффектом памяти, и разберём, откуда оно берётся, какими постоянными времени описывается и почему именно SSB страдает сильнее всего.

Почему параметры кристалла привязаны к его мгновенной температуре

Усиление каскада на LDMOS и его ток покоя зависят от температуры кристалла напрямую. У полевого транзистора напряжение на затворе, задающее ток стока, имеет выраженный температурный коэффициент. Для типового мощного LDMOS он составляет около минус двух, минус двух с половиной милливольт на градус. Это значит, что при неизменном напряжении смещения нагрев кристалла на каждый градус сдвигает рабочую точку так, как если бы напряжение на затворе подросло. Ток покоя при нагреве растёт, и эта зависимость измерена в реальных условиях для рабочего диапазона примерно от сорока до восьмидесяти градусов.

Возьмём конкретный пример из практики. Ток покоя задают на уровне 2.3 ампера при определённой температуре. Если кристалл нагреется, при том же напряжении смещения ток уползёт вверх на сотни миллиампер, потому что температурный коэффициент тянет рабочую точку. А смещение тока покоя напрямую меняет усиление каскада и его линейность: транзистор смещается по своей передаточной характеристике, и крутизна в рабочей точке оказывается другой. Отсюда главный вывод: усиление LDMOS это не постоянная величина, а функция мгновенной температуры кристалла.

Если бы температура держалась неизменной, проблемы бы не было. Усилитель просто настроили бы на рабочую температуру, и усиление было бы стабильным. Беда в том, что при переменной огибающей температура кристалла не стоит на месте, а ходит вслед за подводимой мощностью с некоторым запаздыванием.

Откуда берётся запаздывание и почему оно создаёт память

Кристалл рассеивает тепло не мгновенно. Тепло от активной области уходит через кристалл, через припой, через фланец, на радиатор, и каждый этап этого пути имеет своё тепловое сопротивление и свою теплоёмкость. Получается тепловая цепь, аналог электрической RC-цепочки, только вместо заряда тут запасённое тепло. У такой цепи есть постоянные времени, и их несколько.

Быстрая постоянная времени относится к самому кристаллу и ближайшему окружению, она лежит в области единиц и десятков микросекунд. Медленная относится к фланцу и радиатору, и это уже секунды. Когда подводимая мощность резко меняется, температура кристалла отзывается на быстрой части почти сразу, а на медленной подтягивается долго. Существенно, что изменение температуры отстаёт от изменения входной мощности из-за накопления тепла.

Вот здесь и рождается память. Мгновенная температура кристалла зависит не только от текущего уровня сигнала, но и от того, что было только что. Если перед текущим тихим участком речи был громкий, кристалл ещё не остыл, и усиление на тихом участке окажется не таким, как если бы тишина была после долгой паузы. Усилитель словно помнит недавнюю громкость. Именно эта зависимость выхода от предыстории и называется эффектом памяти, и тепловая её разновидность одна из самых коварных, потому что её постоянные времени попадают точно в диапазон скоростей речевой огибающей.

Почему именно огибающая SSB попадает в резонанс с тепловой инерцией

Однополосный сигнал это несущая, промодулированная по амплитуде речью, без самой несущей и без второй боковой. Его огибающая повторяет громкость голоса и меняется со скоростями от единиц герц на медленных интонациях до единиц килогерц на быстрых согласных. Спектр этой огибающей и есть та самая низкочастотная область, в которой живут тепловые постоянные времени кристалла.

Совпадение скоростей фатально. Если бы тепловая инерция была много быстрее огибающей, кристалл успевал бы отслеживать каждый пик и оставался бы в квазиравновесии, искажений почти не было бы. Если бы тепловая инерция была много медленнее, кристалл усреднял бы громкость и держал бы постоянную температуру, тоже без искажений огибающей. Но реальные тепловые постоянные времени LDMOS перекрывают спектр речевой огибающей, и кристалл успевает заметно прогреться на громком слоге, но не успевает остыть к следующему. Температура, а с ней и усиление, модулируется в такт речи.

Результат проявляется двояко. Во-первых, амплитудные искажения: усиление на пиках огибающей отличается от усиления на спадах, и форма огибающей на выходе перестаёт точно повторять вход. Во-вторых, и это коварнее, появляется фазовая составляющая. Электротепловая обратная связь даёт сдвиг не только усиления, но и фазы из-за саморазогрева, и этот сдвиг тоже привязан к огибающей. В двухтоновом тесте характерным признаком теплового механизма становится асимметрия продуктов интермодуляции третьего порядка: верхний и нижний боковые продукты получаются разной величины, чего при чисто амплитудной нелинейности без памяти не бывает.

Числовая прикидка перегрева кристалла в пике SSB

Переведём качество в цифры. Температуру кристалла связывает с рассеиваемой мощностью тепловое сопротивление переход корпус:

T_кр = T_корп + P_расс * R_тепл

Пусть у мощного ВЧ LDMOS тепловое сопротивление переход корпус около 0.4 градуса на ватт. На пике однополосного сигнала при выходной мощности под киловатт и КПД около половины на кристалле рассеивается порядка нескольких сотен ватт. Возьмём для оценки пиковую рассеиваемую мощность 300 ватт. Тогда перегрев активной области относительно корпуса в установившемся режиме составил бы

dT_уст = P_расс R_тепл = 300 0.4 = 120 градусов

Разумеется, на коротком речевом пике установившийся перегрев не достигается, потому что пик короче медленной тепловой постоянной. Реальный нагрев за время пика описывается зарядом тепловой ёмкости через экспоненту:

dT(t) = dT_уст * (1 - exp(-t / tau))

где постоянная времени секции есть произведение её теплового сопротивления на теплоёмкость, tau = R_тепл * C_тепл. Для быстрой секции у активного слоя tau порядка десятков микросекунд. Прикинем нагрев за речевой пик длительностью 5 миллисекунд при быстрой постоянной 50 микросекунд. Отношение t к tau равно 100, экспонента практически обнуляется, и быстрая секция успевает прогреться почти на весь свой установившийся перепад. А вот доля общего dT_уст, приходящаяся на эту быструю секцию, невелика, скажем, четверть. Тогда скачок температуры активной области за пик составит около тридцати градусов за единицы миллисекунд, что и формирует слышимую модуляцию.

Сведём это в числа. За участок 20 микросекунд отношение t к tau равно 0.4, множитель один минус экспонента около 0.33, и быстрая секция набирает порядка десяти градусов. За 50 микросекунд множитель уже 0.63, это около девятнадцати градусов. За 150 микросекунд множитель доходит до 0.95, почти двадцать восемь градусов. А за 5 миллисекунд множитель практически равен единице, и набираются все тридцать градусов перепада быстрой секции. Видно, что уже за доли миллисекунды быстрая секция набирает почти весь свой перегрев, тогда как медленные секции за это же время едва трогаются. Именно это рассогласование скоростей и создаёт модуляцию усиления в полосе речевой огибающей.

Теперь свяжем перегрев со сдвигом тока покоя количественно. Сдвиг рабочей точки по затвору пропорционален температурному коэффициенту и перегреву:

dV_зи = TC_v dT = 2 мВ/градус 40 градусов = 80 мВ

Сдвиг тока стока получается умножением этого напряжения на крутизну транзистора S, которая у мощного LDMOS составляет порядка единиц сименс. При крутизне 4 сименса прибавка тока выйдет

dI_с = S dV_зи = 4 0.08 = 0.32 ампера

то есть свыше трёхсот миллиампер от номинального тока покоя в 2.3 ампера, около четырнадцати процентов. Поскольку усиление каскада в недонапряжённом режиме растёт примерно пропорционально крутизне в рабочей точке, такой сдвиг тока означает заметную прибавку усиления на горячем хвосте слога относительно его холодного начала. Огибающая на выходе оказывается продавленной, и это слышно как зажатость и призвук.

Признаки теплового механизма и как отличить его от других искажений

Распознать именно тепловую модуляцию среди прочих причин искажений помогает набор характерных признаков, по которым её отличают от обычной нелинейности и от возбуждения. Вот они:

1. искажения растут по мере прогрева усилителя в течение передачи и слабее на холодном старте;
2. в двухтоновом тесте продукты интермодуляции третьего порядка несимметричны, верхний и нижний отличаются по уровню;
3. искажения зависят от предыстории сигнала, тихий участок после громкого звучит иначе, чем после паузы;
4. цифровое предыскажение без учёта памяти убирает искажения хуже, чем ожидается по статической характеристике;
5. эффект ослабевает при усиленном охлаждении кристалла и при снижении средней мощности.

Понимание механизма сразу подсказывает, чего тепловая модуляция не боится. Её не лечит улучшение согласования по высокой частоте, потому что причина не в рабочей частоте, а в низкочастотном спектре огибающей. Её не лечит и обычная линеаризация по статической передаточной характеристике, поскольку та не учитывает зависимость от предыстории. Именно поэтому тепловой эффект памяти ограничивает глубину коррекции при цифровом предыскажении: статическая таблица не знает, насколько горяч кристалл прямо сейчас.

Чем борются с тепловой модуляцией огибающей

Лечение идёт по нескольким направлениям, и первое это термокомпенсация смещения. В цепь задания напряжения на затворе вводят датчик температуры, тепловально связанный с кристаллом, и заставляют смещение меняться так, чтобы скомпенсировать температурный дрейф рабочей точки. Простой вариант это транзистор в диодном включении, чьё напряжение меняется примерно на два милливольта на градус и подаётся так, чтобы тянуть смещение в обратную сторону, удерживая ток покоя постоянным. Более гибкие схемы используют программируемые преобразователи температуры в напряжение и нелинейные таблицы коррекции.

Важна скорость датчика. Медленный внешний термистор на радиаторе компенсирует только медленный дрейф за секунды и минуты, но не успевает за быстрой тепловой модуляцией на уровне миллисекунд. Поэтому в требовательных конструкциях датчик размещают прямо на кристалле в виде диода и снимают его показания вскоре после начала посылки, например через несколько микросекунд от старта пакета, чтобы успеть подстроить смещение в течение самой посылки. Чем ближе датчик к активной области и чем он быстрее, тем большую часть теплового спектра удаётся охватить компенсацией.

Второе направление это работа с самой тепловой цепью и с трактом. Снижают тепловое сопротивление переход корпус, выбирают транзистор с запасом по рассеянию, улучшают теплоотвод, чтобы уменьшить размах температурных колебаний. На уровне схемы применяют согласование, замыкающее транзистор по низким частотам огибающей, чтобы низкочастотные составляющие не раскачивали рабочую точку. Третье и самое мощное направление это цифровое предыскажение с памятью, когда корректирующая модель учитывает не только мгновенный уровень сигнала, но и его недавнюю историю, фактически моделируя тепловое состояние кристалла. Только такая память в корректоре способна по настоящему скомпенсировать память в усилителе.

Тепловая цепь как лестница из нескольких постоянных времени

Чтобы понять, почему компенсация дается так трудно, полезно разглядеть тепловую цепь подробнее. Это не одна RC-секция, а лестница из нескольких, каждая со своей парой тепловое сопротивление и теплоёмкость. Самая быстрая секция это активный слой кремния толщиной в микроны, её постоянная времени микросекунды. Дальше идёт основной объём кристалла с постоянной времени в сотни микросекунд, затем припойный слой и фланец с постоянными в миллисекунды, и наконец радиатор с постоянными в секунды и десятки секунд.

Каждая секция отзывается на свой участок спектра огибающей. Быстрые согласные речи с их килогерцовыми составляющими качают самую быструю секцию у активного слоя, медленные интонации в десятки герц прогревают объём кристалла, а общий средний нагрев за минуту работы поднимает температуру радиатора. Граничную частоту каждой секции легко оценить как f = 1 / (2 pi tau). Для активного слоя с постоянной в десятки микросекунд это единицы килогерц, и он отслеживает быстрые согласные. Для объёма кристалла с сотнями микросекунд это сотни герц, уровень слогов. Припой и фланец с миллисекундными постоянными отзываются на десятки герц, на медленные интонации. Радиатор с секундными постоянными держит лишь среднюю громкость на уровне долей герца. Тепловая модуляция огибающей это сумма откликов всех этих секций, и потому она не описывается одной постоянной времени. Именно многоуровневость делает явление таким цепким: подавив одну секцию, например ускорив отвод от кристалла, разработчик сдвигает проблему в другой участок спектра, но не убирает её целиком.

Отсюда понятно, почему простая компенсация одним медленным датчиком на радиаторе снимает лишь хвост явления. Она работает с секундными постоянными, но оставляет нетронутыми миллисекундные и микросекундные, а именно они формируют слышимую часть искажений огибающей. Полная картина требует учёта всей лестницы, и в этом причина того, что качественная линеаризация мощных усилителей оказывается столь нетривиальной задачей.

Что из этого следует держать в голове

Усилитель на LDMOS обманчиво прост в статике и непрост в динамике. Его усиление привязано к мгновенной температуре кристалла, а кристалл мал, греется быстро и остывает с постоянными времени, которые попадают точно в спектр речевой огибающей. Поэтому при однополосной работе кристалл греется в такт голосу, усиление гуляет вслед за нагревом, и огибающая на выходе искажается тем сильнее, чем горячее режим.

Понимание этого меняет подход к проектированию и эксплуатации. Гнаться за чистотой сигнала только настройкой согласования и статической линеаризацией бесполезно, пока не взята под контроль температура кристалла и её динамика. Быстрая термокомпенсация смещения, хороший теплоотвод и предыскажение с памятью превращают капризный в динамике усилитель в чистый источник сигнала. Хороший усилитель на LDMOS узнаётся не по красивой цифре на ваттметре при работе тоном, а по тому, насколько верно он держит форму огибающей живой речи, когда кристалл уже прогрелся.