Aktive Biasing-Lösung für pHEMT-Leistungsverstärker

Pseudomorphic High Electron Mobility Transistors (pHEMTs) sind Verarmungs-Transistoren, deren Drain-Source-Kanäle Widerstandswerte von nur etwas mehr als 0 Ω aufweisen. Dank dieser Eigenschaft können diese Bauelemente mit hoher Verstärkung bei hohen Schaltfrequenzen eingesetzt werden. Allerdings kann die hohe Leitfähigkeit des Drainkanals zum Durchbrennen der Bausteine führen, sofern die Gate- und Drain-Vorspannungen nicht in der richtigen Reihenfolge angelegt werden. Verarmungs-FETs benötigen eine negative Gatespannung und setzen ein sorgfältiges Sequencing beim Ein- und Ausschalten voraus. Dafür sind Schaltungen notwendig, die eine gleichbleibende Gatespannung und konstante Drainströme erzeugen. Entwickler müssen zusätzlich das Rauschen und Störgrößen aus diesen Bias-Schaltungen beachten, da sich diese auf die HF-Performance auswirken.

Grundlagen zu pHEMTs

In Bild 1 ist das vereinfachte Blockschaltbild eines auf Verarmungs-pHEMTs basierenden HF-Verstärkers dargestellt. Der HF-Signalpfad durch diesen Baustein führt vom Gate- zum Drainanschluss, wobei AC-Koppelkondensatoren das HF-Signal von den DC-Vorspannungen an Drain und Gate entkoppeln. Die Haupt-Versorgungsspannung wird über eine Induktivität an die Drain des FET geführt.

Eine wichtige Eigenschaft von Verarmungs-FETs ist, dass der Drain-Source-Widerstand nahezu 0 Ω beträgt, wenn eine Gatespannung von 0 V anliegt. Für den Betrieb des Bausteins muss somit eine negative Spannung an das Gate gelegt werden. In Bild 1 erfolgt dies mithilfe einer in den Chip integrierten Induktivität.

Ein Nachteil dieser Biasing-Methode ist, dass beide Versorgungsspannungen nicht gleichzeitig eingeschaltet werden dürfen, denn das Anlegen der Drain-Vorspannung vor der Gate-Vorspannung würde den Drainstrom steil ansteigen lassen, was wiederum ein rasches Durchbrennen des Bausteins zur Folge hätte. Die negative Gate-Vorspannung muss deshalb als erstes angelegt werden, um den Kanal abzuschnüren. Zum Ein- und Ausschalten des Verstärkers sollten die in Tabelle 1 genannten Abläufe Anwendung finden.

In der Praxis kann der Abschnür-Schritt (Pinch-off) ausgelassen werden. Wenn beispielsweise die für den regulären Betrieb benötigte finale Gatespannung bekannt ist, kann diese direkt und ohne zwischengeschalteten Pinch-off-Schritt angelegt werden.

Power-Management-Schaltungen für einen Verarmungs-HF-Verstärker stellen eine konstante Gatespannung ein und halten diese aufrecht. Hierfür werden ein Schaltregler, ein LDO-Regler (Low Dropout) und ein Load Switch verwendet. Erzeugt wird die Gatespannung mithilfe des ADP5600, der einen Spannungsinverter und einen LDO-Regler enthält. Der Drainstrom wird durch die Feedback-Widerstände des für die negative Spannung zuständigen LDO-Reglers festgelegt. Um für ein sicheres Power-Sequencing, also die richtige Reihenfolge beim Ein- und Ausschalten der Spannungen zu sorgen, ist der Enable-Pin (EN) des Schaltreglers mit dem Power-Good-Anschluss (PGOOD) des ADP5600 verbunden, der die negative Spannung erzeugt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die negative Gatespannung stets vor der Drainspannung anliegt.

Der größte Nachteil dieser Schaltung besteht darin, dass das Verhältnis zwischen V_GATE und I_DRAIN des HF-Verstärkers einer Exemplarstreuung unterliegt, die hier unberücksichtigt bleibt. Diese Streuung des Drainstroms (unter Annahme einer konstanten Gatespannung) kann jedoch erheblich sein, sodass jede Schaltung ihren individuellen Drainstrom aufweist. Variierende Drainströme aber wirken sich in der Regel auf den 1-dB-Kompressionspunkt (OP1dB) und den Third-Order-Intercept Point (OIP3) aus. (Die Verstärkung wird ebenfalls beeinflusst, jedoch in geringerem Ausmaß.) Vorteilhaft an diesem Konzept ist hingegen, dass der Anstieg und die Abnahme des Drainstroms durch die HF-Leistung am Ein- und Ausgang bestimmt wird. Bei geringer HF-Leistung am Eingang ist somit auch der Stromverbrauch gering (und umgekehrt).

Aktive Vorspannungsregelung

Eine alternative Lösung steht mit der aktiven Vorspannungsregelung zur Verfügung. Anstatt eine festgelegte Gatespannung zu verwenden, wird bei dieser Technik der Drainstrom fixiert. In Bild 2 regelt ein aktiver Bias-Controller den Drainstrom, indem er ihn misst und die Gatespannung so variiert, dass er sich auch bei unterschiedlichen Bedingungen am HF-Eingang nicht verändert. Die Schaltung enthält neben dem Abwärtsregler LT8608 einen aktiven Bias-Controller des Typs HMC920, der sich für Drainspannungen zwischen 3 V und 15 V sowie für Gesamt-Drainströme bis zu 500 mA eignet. Sein Ausgang ist über einen internen, als Schalter fungierenden und für das Power Sequencing dienenden MOSFET mit dem V_DRAIN-Port verbunden. Um die gewünschte Drainspannung für den Leistungsverstärker einzustellen, müssen die Werte der Feedback-Widerstände R5 und R8 des LDO-Reglers wie folgt gewählt werden: R8=(R5/2) · ((V_DRAIN + I_DRAIN · 0,5) -2).

Hierbei steht V_DRAIN für die gewünschte Drainspannung und I_DRAIN für den gewünschten Drainstrom. Bei der Konstante 0,5 handelt es sich um den R_DS(on)-Wert des internen MOSFET-Schalters. Die benötigte negative Gatespannung wird mithilfe einer eingebauten Ladungspumpe erzeugt. Anhand des Spannungsabfalls an R_SENSE erfasst der Regler den Drainstrom und variiert V_GATE entsprechend. Zum Einstellen des Drainstroms muss R_SENSE (R4 und R19) wie folgt gewählt werden: I_DRAIN = (165/R_SENSE) + 0,0135 A.

Sobald der HMC920 durch Anlegen der Versorgungsspannung (V_DD) eingeschaltet wird, wird zum Starten der Regelschleife ein Signal an den EN-Pin geschickt. V_DRAIN ist zunächst mit Masse verbunden und beträgt somit 0 V. Zwischenzeitlich wird die Spannung an V_GATE auf den minimalen Wert von V_NEG gezogen. Anschließend steigt V_DRAIN auf den vorgegebenen Drainspannungs-Wert an. Der an R_SENSE entstehende Spannungsabfall veranlasst den Regler zum Variieren der Gatespannung. Beim Abschalten wird ein Logisch-Low-Signal an den EN-Pin gelegt, woraufhin V_GATE auf V_NEG abfällt, um den Verstärker abzuschalten. Die Spannung an V_DRAIN geht daraufhin auf null zurück, und auch die Spannung an V_GATE erreicht schließlich einen Wert von 0 V. Dieser Ablauf entspricht dem korrekten Power Sequencing für den sicheren Betrieb von Verarmungs-Verstärkern. Eingebaut sind ebenfalls Sicherheits-Features wie etwa ein Über- und Unterstrom-Alarm, ein Kurzschlussschutz und eine Power-Foldback-Funktion. Weitere Einzelheiten zu den übrigen Sicherheitsmechanismen des Bias-Controllers können dem Datenblatt des HMC920 entnommen werden.

Der beschriebene Bias-Controller wurde als Power-Management-Lösung für den breitbandigen, rauscharmen Verstärker ADL8106 implementiert. Der ADL8106 arbeitet in einem Frequenzbereich von 20 GHz bis 54 GHz mit einer nominellen Drainspannung von 3 V und einem Ruhe-Drainstrom von 120 mA. Der Ablauf der Ein- und Ausschaltvorgänge geht aus den Bildern 3 und 4 hervor.

Das Ausmaß des Rauschens und der Störgrößen am HF-Ausgang des Hochfrequenzverstärkers hängt vom Rausch- und Störniveau am Ausgang des HMC920 sowie vom PSMR-Wert (Power Supply Modulation Ratio; dt.: Betriebsspannungs- Modulationsunterdrückung) des Verstärkers ab. Bild 5 gibt die Betriebsspannungsunterdrückung an den Eingängen des Schaltreglers LT8608 und den Ausgängen V_DRAIN und V_GATE wieder. Das Rauschen und die Störgrößen am Ausgang der Power-Management-Schaltung müssen unterhalb dieser Werte liegen, um sicherzustellen, dass die Leistungsfähigkeit des Verstärkers durch die Power-Management-Schaltung nicht beeinträchtigt wird.

In dem zuvor beschriebenen Beispiel wird die negative Gatespannung mit dem eingebauten Negativspannungs-Generator des HMC920 erzeugt, jedoch kann die negative Spannung auch aus einer externen Quelle bezogen werden. Zum Beispiel könnte ein Baustein des Typs ADP5600 (Inverter und negativer LDO-Regler) die negative Spannung für das Gate zur Verfügung stellen. Dies resultiert in einer etwas niedrigeren Rauschzahl und einer höheren Verstärkung als bei der Verwendung einer eingebauten negativen Spannungsquelle.

Das tatsächliche Rauschverhalten in dieser Betriebsart hängt immer noch vom Ausgangsrauschen des externen negativen Spannungsgenerators ab. Die Verwendung des HMC920 mit einer extern zugeführten negativen Spannung führt ebenfalls zum Entstehen von Störgrößen, die allerdings unter dem maximal zulässigen Grenzwert für die Spannungswelligkeit bleiben. Für diese Betriebsart muss die Regelung des Negativspannungs-Generators außer Betrieb gesetzt werden, indem der V_NEGFB-Pin an Masse gelegt wird. Für Anreicherungs-Verstärker (mit positiver Gatespannung), sind der V_NEGFB- und der V_GATEFB-Pin an Masse zu legen.

Zusammenfassung

Die in diesem Artikel vorgestellte Schaltung stellt einen konstanten Drainstrom für einen Verarmungs-Verstärker ein und erzeugt rauscharme Drain- und Gatespannungen, die in der richtigen Reihenfolge ein- und ausgeschaltet werden und die spezifizierte Leistungsfähigkeit des HF-Verstärkers nicht negativ beeinflussen. Die Performanz der einzelnen Bauelemente streut daher weniger stark, weil alle mit demselben Drainstrom betrieben werden. Nachteilig an diesem Konzept ist dagegen, dass der Drainstrom festgelegt ist und sich somit nicht mit der HF-Ausgangsleistung ändert. Die Höhe des konstanten Drainstroms sollte sorgfältig festgelegt werden: er muss einerseits hoch genug sein, um die maximal gewünschte Ausgangsleistung zu unterstützen, anderseits aber so niedrig zu wählen, dass kein unnötig hoher Stromverbrauch entsteht. Anstelle des eingebauten Negativspannungs-Generators des HMC920 kann die negative Spannung auch aus einer externen Quelle bezogen werden, jedoch ist die damit erzielte Verbesserung des Rauschverhaltens nur marginal. (na)