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验证射频功率晶体管的耐用性

时间:2020-11-09
本文摘要:目前生产的大功率射频晶体管比以往任何时候都更坚固、更轻。专为警察局耐久性设计的设备可以容忍相当严重的不匹配,即使输入电平保持不变。目前,许多制造商可以获得大功率硅垂直扩散金属氧化物半导体晶体管,这需要忍受等于65.0:1 VSWR的阻抗失配。 但是这些晶体管知道自己无可挑剔吗?这种耐用性仅限于哪些类型的应用?本报告将解释一些最近的轻型大功率LDMOS晶体管及其电气特性,并通过比较测试过程来确定其轻型水平。

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目前生产的大功率射频晶体管比以往任何时候都更坚固、更轻。专为警察局耐久性设计的设备可以容忍相当严重的不匹配,即使输入电平保持不变。目前,许多制造商可以获得大功率硅垂直扩散金属氧化物半导体晶体管,这需要忍受等于65.0:1 VSWR的阻抗失配。

但是这些晶体管知道自己无可挑剔吗?这种耐用性仅限于哪些类型的应用?本报告将解释一些最近的轻型大功率LDMOS晶体管及其电气特性,并通过比较测试过程来确定其轻型水平。众所周知,硅双极晶体管等一些晶体管需要在一些半导体单元因短路或阻抗不匹配而损坏后才能工作。因此,可以将器件定义为没有明确边界的轻型晶体管。

一般来说,硅LDMOS晶体管的耐久性测试意味着器件需要在低输出功率水平下承受严重的阻抗失配,而不会降低性能或导致器件故障。当晶体管工作在阻抗失配状态时,其输出功率的相当一部分不会通过光进入器件,所以功率必须在晶体管中机械消除。然而,在比较不同耐用性的晶体管时,最重要的是检查不同器件制造商超过其耐用性结果的情况,因为不同制造商的测试条件可能会有很大差异。

一般来说,晶体管耐久性测试涉及三个电参数,这些电参数在测试过程中可能是相反的或恒定的:输出功率、对被测晶体管产生的DC偏置以及从被测器件获得的阻抗。在某些情况下,晶体管制造商可能使用相同(标称)的输出功率和器件偏置值,并改变阻抗失配电阻。虽然这样的测试表明,该装置在这些特定条件下可以长时间工作,但无法理解当该装置面临真实条件时会再次发生什么,因为在真实条件下,这三个参数可能同时发生变化。对于某些设备,耐久性测试还包括在长期工作条件下创建基准性能水平,将设备置于变形条件下(如严重的阻抗不匹配),然后将其完全恢复到基准工作条件,以测试性能提高的水平。

在第二个基准测试中,如果输出功率或DC参数增加超过20%,通常意味着设备过热。VSWR通常被用作一个质量因子来响应阻抗失配的程度。

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例如,当阻抗不匹配的程度等于5.0:1的VSWR时,晶体管的输出功率的大约一半将通过光返回到器件。当阻抗失配度超过20.0:1 VSWR时,晶体管约80%的输出功率将通过光返回器件,必须以热的形式减弱。这些VSWR值处于不同的失配水平之间,这使得它们成为紧密相关的射频功率晶体管的轻质器件。

为了了解射频功率晶体管是轻量级设备时的市场需求,一些示例可能会有所帮助。耐久性拒绝通常由应用来定义。对于长距离雷达系统,如超高频气候雷达,天线上的结冰可能会导致相当严重的阻抗失配,平均阻抗VSWR为10.033301或更高。

比如意法半导体公司(ST)获得的几个N栅增强型垂直MOSFET可以在与VSWR阻抗失配相当严重的情况下工作,约为20.033301。STEVAL-TDR016V1型装置设计用于155MHz至165MHz的甚高频导航频率范围,在20VDC电源下可获得30W连续波输出功率。该器件需要获得14.7分贝的功率增益和至少60%的效率。

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意法半导体还收购了多种频率更高的智能晶体管,可以处理20.0:1甚至更高的VSWR阻抗失配,但输出功率水平不会低很多。对于目前市面上的几款设备,20.0:1的VSWR评级甚至可能有点激进。例如,恩智浦至少有一款大功率器件能够耐受VSWR 65.0:1或更高的阻抗失配,飞思卡尔正在交付的一系列器件也能在VSWR 65.0:1或更高的阻抗失配下长时间工作。两种器件都是硅LDMOS晶体管。

恩智浦去年在美国马里兰州巴尔的摩举行的IEEEMTT-S国际微波会议(IMS2011)上宣布了第一款BLF578XR型号的便携式晶体管。ClassABmodelBLF578XR是该公司流行型号BLF578晶体管的轻量版,仅限于广播和ISM频段,可应用于高达500MHz的高频。在100s脉冲长度和20%脉冲频率下,工作在225MHz的BLF578XR可以获得1400W峰值脉冲输出功率。

在这些条件下,该器件还可以超过24dB的功率增益和71%的典型漏极效率,并具有内置的静电(静电放电)维护功能。


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