CARACTERIZACIÓN ELECTRO- TÉRMICA DE AMPLIFICADORES MMIC DE POTENCIA

CARACTERIZACIÓN ELECTRO- TÉRMICA DE AMPLIFICADORES MMIC DE POTENCIA

I INTRODUCCIÓN

Los transmisores de potencia de estado sólido (para una gran variedad de aplicaciones radar y de comunicaciones) están normalmente formados por una cadena de amplificadores monolíticos de microondas (MMICs) de potencia, debido a sus prestaciones, versatilidad, tamaño..., frente a otros dispositivos de potencia. Para garantizar el correcto funcionamiento de los sistemas completos en términos de su fiabilidad es necesaria una caracterización térmica de los amplificadores de potencia que incluya su estructura de montaje [1]. El comportamiento de los amplificadores MMIC de potencia depende fuertemente de la temperatura interna que alcancen los transistores que losconforman. El método de caracterización térmica empleado no debe dañar los amplificadores ni hacerlos operar bajo condiciones de trabajo no usuales, y además debe ser capaz de proporcionar la temperatura interna de los transistores incluyendo los efectos de montaje de los MMICs. Un método de caracterización térmica como el descrito anteriormente fue presentado en [2, 3]. Con el fin de estudiar con mayor profundidad el comportamiento interno de los MMICs de potencia (por ejemplo para localizar posibles hot spots dentro del MMIC bajo determinadas condiciones de polarización y temperatura ambiente) la simulación térmica, asumiendo un perfil de potencia disipada constante para todos los transistores que integran el MMIC de potencia, puede no resultar suficientemente precisa. En esos casos es necesario contar con modelos que relacionen, para unas determinadas condiciones de polarización, la corriente circulando a través de los transistores con la temperatura a la que se encuentran los mismos. Dichos modelos hacen uso por un lado de un modelo eléctrico, capaz de proporcionar la corriente en un transistor en función de su temperatura interna, y por otro de un modelo térmico, que calcula, a partir de las potencias disipadas en cada transistor las temperaturas internas a las que se encuentran [4, 5].
En este artículo se describe la obtención de un modelo electrotérmico para un amplificador MMIC comercial de potencia (P1dB=30.0dBm) en banda X. Dicho modelo es capaz de predecir con exactitud la corriente del MMIC (IDMMIC) para un rango amplio de puntos de polarización y de temperaturas ambiente.

II. CARACTERIZACIÓN TÉRMICA

El MMIC de potencia fue caracterizado térmicamente empleando el método propuesto en [1]. Dicho método utiliza como parámetro eléctrico indirecto dependiente de la temperatura (TSP) la corriente de drenador de la primera de las etapas de amplificación de que consta el MMIC (ID1). ID1 se emplea para obtener experimentalmente una medida del acoplamiento térmico entre las dos etapas en que se divide el MMIC, para ello se hace uso de una serie de curvas de calibración medidas:

I D1 = f (VD1 ,VG1 , TAMB )

Estos datos experimentales se emplean para determinar los parámetros no conocidos de la geometría del MMIC bajo estudio (básicamente la altura de la capa de epoxy empleada para fijar el amplificador a su carrier metálico). Una vez se conocen la geometría del MMIC y de su montaje, así como sus propiedades térmicas, se simula el comportamiento del amplificador empleando el simulador térmico propuesto en [6], asumiendo un perfil de potencias disipadas constante para todos los transistores que integran el MMIC, para obtener el perfil de temperaturas en la superficie del amplificador para unos puntos de polarización y temperatura ambiente concretos.

III. MODELO ELECTRO-TÉRMICO

Con ayuda de la información sobre el comportamiento térmico del MMIC experimentalmente obtenida mediante el método propuesto en [1], se derivó, para el transistor FET que forma las dos etapas del MMIC (12 transistores en
paralelo para la etapa de entrada y 28 para la de salida), un modelo de corriente de drenador en función de su temperatura interna:

I DFET = f (VDFET ,VGFET , TFET )

El modelo proporciona la corriente de drenador de un FET IDFET para el siguiente rango de puntos de trabajo:

• Tensión de drenador (VDFET) entre 6.0V y 9.0V.

• Tensión de puerta (VGFET) entre –1.2V y –0.8V.
• Temperatura interna de las fuentes de calor (temperatura interna de los transistores FET) entre 50ºC y 140ºC.

Mediante (2) es posible finalmente obtener un modelo electro-térmico para simular el comportamiento en un determinado punto de operación del amplificador MMIC completo.

El modelo electro-térmico se obtuvo siguiendo los pasos que se detallan a continuación:

• Estructura física del MMIC y su montaje caracterizada mediante el método propuesto en [1].
• Una vez que el comportamiento térmico del MMIC ha sido medido, cada una de las curvas de calibración de la etapa de entrada del MMIC dadas por (1), son modificadas de tal manera que la temperatura TAMBi de cada punto de las curvas se transforma a su correspondiente TFETi, realizando un promedio de la temperatura interna sobre las superficies de los transistores de la primera etapa. De la misma forma la corriente total de drenador de la etapa de entrada ID1 se promedia por el número de transistores FET de dicha etapa (12 en el caso particular del MMIC bajo estudio) para obtener para cada punto de (1) IDFETi. Así las curvas de calibración del TSP quedan como sigue:

Fig. 1. IDFET , VDFET=9.0V y VGFET=-0.911V como función de la
temperatura interna individual de una sola fuente de calor (FET).

El paso anterior se repite para cada una de las curvas de calibración del TSP (j) para cada (VD1j, VG1j), de tal manera que la corriente de drenador IDFETij se obtiene para diferentes (VD1j, VG1j, TFETij):

I DFETij = f (V D1j, VG1j, TFETij)

• A continuación pueden emplearse diferentes modelos de corriente de drenador de DC en función de la temperatura ID(T), como los propuestos en [7, 8, 9], para realizar el ajuste de
los datos proporcionados por la expresión (3). Este proceso se realiza optimizando los parámetros de ajuste del modelo empleado (notar que dicho ajuste se realiza exclusivamente sobre datos experimentales obtenidos de la caracterización de la etapa de entrada del amplificador). En el caso del presente trabajo se empleó un modelo de corriente de drenador dependiente de la temperatura similar al indicado en [9].
• El modelo cuyos parámetros han sido ajustados en el paso anterior se aplica a todos los transistores individuales que forman el MMIC completo. Dicho modelo se acopla al simulador térmico propuesto en [6] para obtener finalmente la corriente de drenador total del MMIC (IDMMIC) para una temperatura ambiente dada (TAMB) y para un punto de polarización concreto (VD, VG). El cálculo de IDMMIC se realiza siguiendo el proceso descrito en el diagrama de flujo de la figura 2.

Fig. 2. Proceso de cálculo de IDMMIC. N es el número total de fuentes de calor
 (transistores), 40 en el caso del MMIC bajo estudio. i representa cada fuente
de calor individual y q el número de iteraciones.

IV. RESULTADOS: MEDIDAS Y SIMULACIONES

El modelo de FET individual se utilizó para simular el consumo de corriente por drenador del MMIC completo bajo distintas condiciones de polarización y temperatura ambiente. Los resultados de medidas y simulaciones se muestran en la figura 3.

Fig. 3. Simulación de la estructura completa del MMIC haciendo uso del
modelo electro-térmico derivado de la caracterización térmica previa
 (trazo continuo).   Las medidas están dadas en: estrellas para
VG=-0.859V y VD=7.0V, círculos para VG=-0.951V y
VD=8.0V, y cuadrados para VD=9.0V y VG=-1.05V.

Como puede apreciarse en la figura 3 las simulaciones concuerdan con las medidas realizadas. Los resultados presentados sugieren que la caracterización térmica previamente realizada, así como el modelo de corriente de drenador dependiente de la temperatura para el FET individual, tienen la suficiente precisión como para realizar una caracterización electro-térmica útil de la estructura completa del MMIC y su montaje.
Con el modelo es posible comparar la distribución real de temperaturas que se obtiene sobre las fuentes del MMIC, con la que se consigue asumiendo un perfil de disipación de potencias constante en todas las fuentes de calor.

Fig. 3. Simulación de la distribución de temperaturas en la etapa de entrada del MMIC.   (asteriscos) distribución constante de potencia para todos los dedos (FETs), y (círculos) para el modelo electro-térmico. PDISMMIC=3.42W, VD=8.0V, VG=-0.951V y TAMB=30ºC.

V.   CONCLUSIONES

Se ha presentado un método experimental para obtener un modelo electro-térmico sencillo de amplificadores MMIC de potencia de estructura compleja. El método hace uso de una caracterización térmica previa mediante un prámetro indirecto eléctrico sensible a la temperatura. Dicha información se emplea para calcular un modelo de corriente de drenador de DC para las fuentes de calor que forman el MMIC, que acoplado a un simulador térmico proporciona una    herramienta    precisa    para    la    simulación    del comportamiento del MMIC completo bajo distintos puntos de polarización y temperatura ambiente. El método ha sido empleado para predecir el consumo por drenador de un amplificador MMIC comercial de potencia de banda X en un rango amplio de condiciones de trabajo.


Asignatura: CRF
Dujeiny J. Sánchez Q.

Extraido de: w3.iec.csic.es/URSI/.../S3.../1221%20-%20ELECTRO-T.pdf