LDMOS FET AMPの実験


 赤ドラゴンSDR-TRXの歪補償機能をいじっていて、最近のPAの構成素子であるLDMOS FETに興味を持ちました。ここでは、どこまでその特性が優れているのか、いろいろいじってみたいと思います。

<QRP LDMOS FET AMP> 【2017.12.23】


 実は、ミドルパワーのLDMOSを弄っていましたが、ちょっと手こずっているため、一旦中断して頭を冷やしています。その代りといっては何ですが、QRPなPAを作るためのLDMOS AFT05MS031N を入手してあったので、そちらを先に弄ってみることにしました。

 このLDMOSはもともと赤ドラゴンフルーツSDRをTRXや測定器としてまとめ上げる”HAMLAB”という後付の機器のPAに搭載されているという話をここで知ることができました。詳細な情報は一切なく、単に品名が明らかになっただけでした。なので、まずは、どんなものなのか規格表から探ってみることにします。LDMOSの説明に関しては、各自がググってください。あまり親切な解説が見当たらないのですが、最近のRFのFET(コマーシャルの装置に使われている)は全てこのタイプになった感が強いです。

 さて、このチップAFT05MS031Nには以下の特徴があります。

・動作周波数は〜520MHz
・1dB抑圧電力は31Wくらい
・MAX Vdsは40V、Vgsは12V
・Ciss、Coss、Crssは Typicalで109、49.5、1.6pF
・CWの効率は60%以上
・ABクラスのリニア増幅も可能
・利得は17dB以上@520MHz(150MHz帯で22dB程度のデータ有り)
・VSWR65:1でも素子は破損しない


 だそうです。けっこう魅力的なスペックですね。形状は、





QRPなLDMOS?AFT05MS031N の外形

底面はソース 固定のためのネジはないのでSMDで半田リフローした銅板のヒートスプレッダーに熱を逃がす構造?
印刷された文字(薄い)を写そうとして露出過多になりリード&ソースが白飛びしてるのにはご容赦


 で、一見してわかるように、なんとネジ止めの穴が見当たりません。このSMD(サーフェスマウント素子)は、各種の実装例をググってみると、銅版に直接、リフローで、チップ底面のソースを半田付してしまうような感じです。これを見ると、アマチュアが扱うには極めてバリアーが高そうな実装です。

 ただ、それを差し引いても、高い利得、広帯域動作、対負荷耐力、比較的小さな入出力(帰還)容量と、大変特性が良さそうなことが見て取れます。特にPAなのにハイゲインなのはたいへん魅力的です。150MHzで22dBであれば、HFならば25dB以上のゲインは確実でしょうから、いままで3ステージで構成していたPAがわずか2ステージで10〜20Wまで増力できる可能性が出てきます。これは、大変なことで、歪補償とかやるのは、出来る限りFETの「記憶特性」を抑える必要があるのですが、段数を減らせれば、これに大きく貢献できるからです。また、赤ドラゴンSDRのように出力が3dBmも出てくるものがあれば、2段のLDMOSアンプでなんと200Wpepも可能になるかもしれません。これって大変すばらしいことです。

 ただ、このQRP-LDMOSのVdsの最大値が40Vというのは惜しいところで、これで出力が制限されてしまいます。電源電圧はSSBの場合、20Vが最大で、これをトランスの兼ね合いで、せいぜいどんなに頑張っても広帯域アンプの場合20Wpep以下しか出力が取れません。実は、あまり仰々しく書いてないのですが、規格表にPd=294Wという記述が見つかりました。あのMRF150がPd=300Wですから、それと変わらないって、こんな小さいチップでどういうことなのだろうと、気になります。これが、VddのMAX値が100Vもあれば、もっと大きな出力が望めるのですが。とはいってもPd=294Wって不思議な記述です。本当にこれだけのPdがあるのだろうか???





AFT05MS031N の規格表の一部記述

PD=294Wってどう捉えたらいいのだろうか?



 ところで、RD16HHF1という私のお好みの三菱のFETはVdsの最大値が50Vですが、なんと半導体アプコンバージョンTRXではVDD=34Vでの使用例(20%以上も「最大定格オーバー!」もあり、この小型LDMOSの耐圧余裕はどのくらいあるのか、興味のあるところです(そのうち、破壊覚悟で電源を25V程度で出力を絞り出してみるのも面白いかもしれません)。


 さて、いつもの能書きが多くなってきたので、実機に搭載検討をしてみます。下の写真は、ヒートシンクと基板をねじ止めしてみたところです。ヒートシンクは4個1000円で落札したジャンクのうちの一つですが、けっこうなフィンの数があるので、20Wくらいのアンプにはよっぽど低能率なことをやらない限り、ファンは要らないのじゃないかと思います。基板はガラエポのナマ基板をヒートシンクにタップでビス穴を切って止めています。これは、ヒートシンク面はFETのソースに接続されるので、これを基板アース面に戻す構造になっています。LDMOSのマウントの構造に関しては、このあと詳述していきます。






ヒートシンクとカッティングランド基板(ガラエポ)

多くのネジはヒートシンクと基板アース間の電導ロスを減らすため



 さて、次に搭載するトランスについて考えてみます。いろいろ考えられるのですが、入力も出力もFET実装時にリターンロスが下がることが重要です。






ざっくりパーツを置いてみた様子



 まず、入力は#43材のトランスにインピーダンス比4:1で巻いたコンベンショナルトランス、出力は同じく4対1の伝送線路トランスとソータバランで考えていました。特に意図があるわけでは無いのですが、まずは、実装時特性がどんなものになるか見ようと思っていました。






インプットトランスの歪確認

#61材の大型コンベンショナルトランス(黄色)と比較してみた。1Wアンプの出力に500ΩのATTをかまして測定
#43は若干の歪の劣化が認められるが、これがハイバンドだと無視できなくなることがある




 以前に#43材の場合、トランスで若干の歪が出ることがあったので、#61材のトランスを使ってIMDを測って#43材と比較してみました。50Ω側は2ターン側をつなぎ1ターン側をFETのゲートバイアス回路に繋いだ状態で、500Ωプローブで測ってみました。これを見ると、#43材でも#61材と同じように使えるという感触(但し14MHzだけしか見ていませんが)を得ました。-----実はここまではインプットトランスは#43材のコンベンショナルトランスでやろうとしていたのですが、突然、方向転換で、伝送線路トランスに変えてしまいました----理由は、ま、「気まぐれ」です(笑)。

 以下、インプットトランスとアウトプットトランスを伝送線路で組んだ場合の「トランス単体」のリターンロスを以下に示します。




@インプットトランスのリターンロス

FT82#61にツイストペア11回のフロートバラン構成 高域のRLがよくない

(注)青線がリターンロス=∞を示している。黄線とのレベル差がリターンロス値になる





Aインプットトランスのリターンロス

FT82#61を3個スタックにしてダブルツイストペア11回のフロートバラン構成

高域のRLが@に比べて改善  これはインプットトランスとして特性を見たが、アウトプットトランスの1:4変換に使った
(注)青線がリターンロス=∞を示している。黄線とのレベル差がリターンロス値になる





Bインプットトランスのリターンロス

FT82#61に1.5D2Vを11tのフロートバラン構成
 さすがに同軸なのでRLは比較的良好
(注)青線がリターンロス=∞を示している。黄線とのレベル差がリターンロス値になる





Cアウトプットトランスのリターンロス

FT82#61を3個スタックに1.5D2Vを11tのフロートバラン構成
 当たり前だがかなり広帯域化できる
(注)青線がリターンロス=∞を示している。黄線とのレベル差がリターンロス値になる




 上記写真は巻線にツイストペア、同軸の場合、また、コアはFT82#61を一個と三個スタックの場合のリターンロスについて見てみました。入力トランスと出力トランスに相当する候補の特性を見ています。ツイストペアだとコアが一個の場合、線路長が足りない感じなので、同軸のほうがしっかりリターンロスが下がります。コア3個のツイストペアAは出力整合回路(4:1)に、コア3個の同軸巻線Cは出力のソータバラン、コア一個の同軸Bは入力のソータバランに使えそうです。

 さて、上記の様子から、まずは、入出力共に伝送線路型でやってみることにします。Cissが100pF前後と余り大きくないことから、広帯域化がやりやすい伝送線路トランスでのトライになります。もちろん、使う周波数帯によっては、コンベンショナル型のトランスを使うこともあるかもしれませんが、今回は、まずはLDMOSがどんな「動き」をするのか確認するために、このような選択をしました。




LDMOSにマウントの様子

リードを固定するための固定チップ(下図参照)は固定していないのでLDMOSと一緒に交換することになる




この図はLDMOSを並べてみた様子です。




LDMOSにマウントの様子(断面図)

リードを固定するための固定チップ(上図参照)は固定していないのでLDMOSと一緒に交換することになる
銅フォイルとLDMOSをヒートシンクには固定用のLアングルを介してボルトナットで固定する構造




 この図に至るまで、ミディアムサイズのLDMOSのマウントを指南しているNXPのアプリケーションを頼りにしました。ここで気をつけないといけないのは下記の点です。

@Sourceは確実にグラウンドに設置することが出来る事。ヒートシンクと基板アース面(ネジによる導通)、ヒートシンクとFETのソースが確実に接続されていること。
AFET交換の自由度を増すために、ゲートとドレインの接続部分は、基板と分離できる構造とし、FET交換でメイン基板の銅箔が剥離するような事故を防いでみた。
BFETの熱を効果的にヒートシンクに「流す」ために、LDMOSのソースを「圧力をかけてヒートシンクに接触させる。具体的にはLDMOSの上面をLアングル等で抑え、ソースが銅箔を介してヒートシンクに十分に密着できるようにする。


 という施策を施します。





LDMOSのアンプの様子

FETのゲートとドレインの結線はまだなされていない Lアングルを介してボルトナットでFETを固定




 このように、@〜Bの注意を守って実装したのが上図になります。LDMOSが抑えのLアングルの下に隠れてしまって形を楽しめませんがご容赦ください。SMDの実装をプリント基板以外でやろうとすると、けっこう厄介な話になりますね。下に回路図を書いておきます。バイアス回路が2つのレギュレータをおごっていますが、ここまでしなくても、まったく問題はありません。また、実機のゲートバイアス回路は、ゲートを設置して片側の素子をカットオフさせるためのSWがついていますが、回路図では省略してあります。小型のアンプではあまり必要ないかもしれません。




回路図

あえて利得重視で入力は1:1としてみたがインピーダンス変換比が小さいとCissの影響を受けF特性が悪化する


 次に特性を一部ですが見ることにしましょう。条件はVDD=20V、Idq=約200mA×2というところです。FETの大きさを考えると若干アイドリングを多く流しています。





LDMOSにアイドリング電流(0.2A×2)を通電し実働状態の場合のリターンロス

上記の写真Bと比較すると、Cissの影響で高域の特性が損なわれているのが解る。
ただし、Bの図とは縦軸スケールの違いに注意(B:10dB/div  本写真:5dB/div)
(注)青線がリターンロス=∞を示している。黄線とのレベル差がリターンロス値になる


 アイドリング時のリターンロスが上図になります。HFハイバンド〜50MHzに対して、前記のA?と比べると、大きくリターンロスが悪くなります。実は、今回、LDMOSの特徴の一つである、ハイゲイン特性を確保するために、当初考えていた4:1の伝送線路トランスではなく、1:1のソータバランにしてしまっています。これだとCissと相まって、コーナー周波数が低くなる恐れがあったのですが、「利得重視のセッティング」ということで高域周波数のリターンロスは犠牲にしています。まぁ、ここは、利得を若干犠牲にすれば4:1のコンベンショナルトランスか伝送線路トランスで、RL vs 周波数特性を変広帯域化することは可能です。





アンプのF特性の一例

−3dB周波数は61MHz近辺  周波数が伸びないのはインプットトランスとFETのCissの影響のため
4対1のコンベンショナルトランスでCiss補正のためのLPFを構成すれば、もっと広帯域化は可能 ただし、利得が犠牲になる
(注)青線がTGとスペアナ直結の場合を示す。黄線がアンプ出力なので青線とのレベル差が利得になる



 とりあえず、周波数特性をラフに見てみました。-3dB周波数は61MHzということになりました。やっぱりインプットトランスとFETのCissによる積分特性が表れています。ここは、LDMOSが周波数特性がいいからといっても、それは個別周波数にチューンした狭帯域動作の場合であって、こういった広帯域PAの場合、FETの入出力インピーダンスの周波数固有な特性(周波数で変化する)に広い帯域で整合できるはずも無く、ほぼ、トランスの特性でF特性は決まってしまいます。




2−トーン出力信号

LPFはかましていない。14MHz&14.01MHzの2−トーン
 意外と高調波が少く見える





2−トーン出力信号のスペクトラム(上記の信号時)

−30dBカップラーとATTをかましているのでレベルの絶対値は不問ということで



 上図は出力LPF無しの場合のPAの「素」の出力信号です。要するに高調波もダダ漏れの測定です。ま、意外と高調波が少なそうな乱れの少ない波形になっている感じがします。この波形は次に示すIMD3が−30dBの時の「最大出力」です。78Vpepなので15Wpepというところでしょうか?VDDが20Vでは、これ以上歪を維持したまま振らすことはできませんでした。周波数は14MHz帯、入力が2Vpepですから、利得は30dB以上になって、当初の目論み通り、利得重視の広帯域アンプに仕上がりました。この時の電流は0.86Aなので効率は43%程度になりますか。若干効率を下げ(電流を流さ)ないと利得が取れないようです。


 今回は、実用するかはともかく、実験という位置づけなので、SMDのLDMSを使ってみて、その素性を軽く見ることでした。なので、あまり詳しく諸特性を見たわけではありません。ほんのピンポイントの動作確認です。実際に使う段になったら、まぁ、高い利得を実現できたので、ミディアムクラスのLDMOSを用いて、2ステージ200wアンプ?が出来るのかどうかを確認したいものです。しかし、そう上手く事が運ぶかどうか・・・・



<小形LDMOSのシングルアンプについて> 【2019.2.10】

 以前、ここで小ぶりなLDMOSを用いたプッシュプルアンプを紹介しました。そこでの「ウリ」は大きな利得であり、無線機器PA部の段数を一段減らすことが出来るかもしれない可能性に触れました。一方でLDMOSはハンドリングレベルによって利得が変化する(要は直線性がイマイチ?)ので歪特性はあまり良くない・・・てな「予見」を与えていました。この時はプッシュプルで20Wくらいのアンプだったのですが、ふと、「シングルアンプではどんな感じ?」と思って、急きょ弄ってみました。

 まず最初に「どのあたりの出力レンジを目指すのか」決めましょう。このFETのVd最大値は40Vなので、SSBに用いるならば、マックスで20V振幅までが限界です。もちろん、出力信号に含まれる高調波の具合によっては、20VのVddだと危ない可能性もありますが、LDMOSってけっこう規格への余裕が大きいようで、よしんば、高調波が盛大にでて、信号振幅が増大しても(シングル動作なのでなおさら心配)、規格の余裕で吸収してもらうことにしましょう。なので、最大Vddは20V以下としておきます。

 そうなると、現実的なのが5Wとか10Wのレベルです。出力側のステップアップを1:4で5W、1:9で10Wが現実的になります。まずは5W回路でシングル動作を見て行きましょう。回路図は以下の通りです。





回路図


 出力回路はトロ活にある5W用のポピュラーな回路です。入力側は4:1でステップダウンしています。ここはCissが100pF程度あるので、1:1の入力トランスだと帯域が狭まり、なおかつ全体利得が上がりすぎるキライがあるので、この様にしていますが、利得調整の意味からは1:9でもいいかなと後で思いました。

 まずは、FETの搭載をする方法について考えてみます。このFETは放熱器にネジ止めが出来ないのと、ソース電極が素子の下面と両サイドにちょこっと出ているだけなので、リフローによる実装が最適なのですが、手はんだ、それもカッティングランド工法向けの実装は面倒です。要は放熱をしながら、ソース電極をどう引っ張り出すかに尽きるのですが、ここでは以前の経験を踏襲することにします。

 すなわち、薄い銅フォイル(実は銅テープの裏面接着剤を除去したもの)でソースに接触させ、素子の両端の数cm幅で基板のアースに導くこととしました。FETの発生する熱はソース→銅フォイル→アルミ放熱器と伝搬することになります。ここは以前にはアルミ放熱器と基板アースへの伝導路を多数のビスで確保していましたが、今回はそこまでは行わなくても動作することが分かりました。





FETを並べた図


 FETはこのように配置します。ここで、ゲート&ドレイン電極ですが、アースに落ちないようにインシュレータ(ピンク色の素材)で浮かせて取り付けています。ここでクイズですが、このインシュレータの材質はなんだか分かりますか?最近のUPでも使ったことがある素材です(笑)。答えは本稿の最後に書いておきます。





FETを固定した図


 最終的にはFETをLアングルで押さえつけます。圧力の均質化を狙って、FETの上面とLアングルの間に「3mmのプラナット」を挟んでいます。プラスチックの弾力でパッケージに掛かる圧力の均等化ができないかと考えたのですが、効果についてはまったく自信がありません(笑)。





実装図



 これで、部品をカッティングランド工法で実装したのが上図です。小型に実装したので、そもそも基板面積が小さいですから、調子にのって、実装用ランドの面積を大きくしてしまうと、アース面積が減ったり、信号経路に障害が出ますので、そこは注意が必要ですね。しまったと思ったのは、10W用にはもう一個トロイダルトランスが要るのですが、場所が無くて実装が難しそうです(苦笑)。小振りな放熱器を選んでしまった咎ではあるのですが。

 組みあがって、Vggを0Vから増加させて2.5V付近からIdが流れ始めて、出力側に発振波形が見えなければ、まずはOKです。このLDMOSはゲインが高く、入力側をオープンにすると、盛大に発振することが有ります。くれぐれも入力は50Ωで終端しておいてください(出力側は言わずもがな)。この状態でF特性を見て置くことにします。





F特性


 100MHzまでの特性を見ていますが、入力が−10dBm程度のFトラッキングでは、利得のうねりは大きいものの、30dB内外の利得が得られてしまいました(しまいましたという表現も変ですが)。気を付けないといけないのは、これがフルパワー出力時には、利得は若干減ることになります。それでも28dB以上くらいはあるので、すごいと言えばすごいのですが。

 気になる「うねり」ですが、これは入力側の整合の問題であろうと考えています。SWRが悪いと(整合がうまくないと)F特性上にこんな感じのうねりが出ることが有ります。ただでさえ、SWRがあまり良くない状況ですから、これで、入力を1:1にしたら、確実に発振するのではないでしょうか?

 さて、お待ちかねのIMDです。まずは、7MHzで以下に示します。PEPでほぼ5W(37dBm)を目標に測定しています。以下の図以降、IMD測定にはすべて−30dBのATTをかましてあります。





IMD(7MHz)


 ここではIdを少し多く流してAクラスに寄せてみて、利得の減らない領域で最適IMDを見てみました。なので、この−36dBというIMD3は「そんなに褒められたものでもない」感じがします。なんせ、効率と言えばDC入力が6W(12V×0.5A)に対して出力が2.5Wの42%という領域ですから。また、このFETは完全にAクラスに持っていけば、すげーリニアということもありません。以前に書いたように、ゲインの高い代わりに動作は非線形性が多いという傾向が見て取れます。

 以下、似たような条件で3.5〜50MHzのデータを示しておきます。50MHzになると急激に歪特性が劣化してきます。これは素子の特性からは考えずらく(なんせ500MHzで動くと言ってるので)、整合回路になんらかの瑕疵があるのかもしれません。ここは、現象のみ記述し、深堀りについては時間の有るときに行いたいと思います。

 ま、結論から言うと、この小ぶりなLDMOSアンプは利得が非常に大きく、うまくすれば、「いままで周波数変換からN段で構成していたパワーアンプの段数を、N−1段で済ますことが出来る効果がありそうだ」ということになるでしょうか。





IMD(3.5MHz)




IMD(14MHz)




IMD(21MHz)




IMD(50MHz)


<注>
 実は一回、入力を解放していて、盛大に発振させたことが有りました。1.5Aで電流制限を掛けていたので事なきを得ましたが、まぁ、LDMOSは丈夫だなぁという感想です。気が付いた時は、なにやら「におい」が漂っていました。しかし、そんな事件のあとも特性は変化していないようです。

<Qの答え>
 インシュレータは「紙」です。ピンクの付箋紙を鋏で切って折って使っています(笑)。100M位までは問題ない?それともSWRの不整合の理由はこの紙か?確かにこの入力の配線はSWRを乱しそうな様子の接続ではあります(笑)。

(1)NFBをかけてみる

 さて、この石にNFBをかけてみることにします。いずれも出力は5Wpepとなるようにします。NFBはあまり深くかけるとかえって動作が不安定なのでかるーく3dB程度で見ています。周波数は7MHzのみです。アイドリングはNFB無し時12V/0.3A、NFB有り時は同じ出力(5Wpeo)を得るのに0.5Aまで増加してしまいます。





7MHzのIMD NFBなし




7MHzのIMD NFBあり


 これを見ると、確かにNFB量に応じてひずみは改善しますが、なんだか効率ががた落ちになり、ゲインもNFB量に応じて減少するため、あまり効果的ではないのかな?と思いました。もっとも、条件の考慮漏れの点があるのかもしれませんが。

(2)10W化
 ですが、トロ活には10Wに対応した、1:9のインピーダンス整合回路の例がありましたので、5Wの1:4のトランスにソータバランチックなコアを付け加えて整合回路を組んでみました。まったく原図通りにやってみたのですが、どうもうまく機能しません。この回路って本当に1:9にインピーダンス変換が出来ているのだろうか、少し気になっていました。ということで、50/9Ωの抵抗をFET側に接続し、リターンロスを簡易的に測ってみました。





出力整合回路のリターンロス


 これをみると、10MHz以下ではRLが15dB程度あるので、「なんとか動作するでしょう」レベルの特性ですね。このLDMOSはSWR=65(6.5じゃないです)に耐えるとあるので、こんなトランスでも壊れることはありません。ただし、軽く様子を見た結果、飽和出力、ゲインのいずれも5Wアンプに及ばない(=10Wのまともな動作にならない)ので、なんだか不思議です。念のため、いろいろ結線を変えてみたのですが、改善の兆しがありません。なので、今回はこれ以上追及するのは止めにしておきます。元回路は、C1307なんていう古典的で利得の少ないTRを使っていますが、特性が出ていたのか?・・・ちょっと不思議です。