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POWER 10 - MARZO 2016
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Power
Gli amplificatori di potenza attualmente in uso adot-
tano una delle delle seguenti tecnologie a semicon-
duttore: transistor LDMOS al silicio, MESFET al car-
buro di silicio (SiC), HEMT all’arseniuro di gallio
(GaAs), HBT al GaAs e HEMT al nitruro di gallio
(GaN) (Fig.1). Di queste, il GaN è forse quello che
garantisce le migliori prestazioni per frequenze e po-
tenza elevate.
Per molti anni, i dispositivi al GaAs sono stati quel-
li più ampiamente utilizzati come amplificatori di
potenza RF e tuttora rappresentano una quota con-
sistente dei componenti utilizzati nel campo delle
alte frequenze. Tuttavia, questa tecnologia deve con-
frontarsi con diverse alternative concorrenti, parti-
colarmente nel caso di sistemi operanti a frequenze
uguali o inferiori a 3 GHz. In quest’area, i dispositivi
al silicio quali i componenti LDMOS e le tecnologie
di fabbricazione di tipo SOI (Silicon-On-Insulator),
sono compatibili con la realizzazione di grandi vo-
lumi e quindi beneficiano di economie di scala non
ancora disponibili per i dispositivi realizzati con se-
miconduttori composti.
Gli attuali trasmettitori GaAs, utilizzati in applica-
zioni in cui gli ingombri rappresentano un fattore
critico, spesso possono trarre beneficio dall’utilizzo
di una delle tecnologie a semiconduttore alternati-
ve. Mentre i tipici dispositivi GaAs sono caratterizzati
da un’efficienza pari a circa il 45%, i trasmettitori
GaN ad esempio possono garantire livelli di efficien-
za compresi tra il 50 e il 70%. In base ai dati forniti
da
MACOM, il GaN assicura densità di potenza fino
a otto volte superiore e una più estesa larghezza di
banda in presenza di potenza di uscita di valore ele-
vato, consentendo ai progettisti di sistema di ridurre
il numero di dispositivi di uscita fino a metà o un
terzo.
(2)
RFMD, azienda produttrice di dispositivi RF al GaN,
stima per questi ultimi una durata superiore a causa
della più bassa temperatura d’uso rispetto di dispo-
sitivi GaAs.
(3)
i nuovi semiconduttori compositi evi-
denziano un’intensità di campo di rottura più ele-
vata rispetto a Si o GaAs, garantendo in tal modo il
supporto di progetti di dispositivi ad elevata frequen-
za ed alta tensione (Tabella 1). Per esempio, oggi-
giorno sono reperibili amplificatori di potenza GaN
che operano a una V
DS
quasi doppia rispetto ai tipici
amplificatori di potenza GaAs e, grazie a una miglio-
re efficienza, forniscono una più elevata densità di
potenza RF. La conducibilità termica del nitruro di
gallio è migliore di un fattore pari a tre rispetto a
quella dell’arseniuro di gallio, il che comporta mino-
ri oneri in termini di raffreddamento e la possibilità
di realizzare sistemi più piccoli e leggeri a parità di
potenza di uscita.
(4)
Mentre le tecnologie GaN si vanno via via diffondendo,
alcuni progetti sfruttando i vantaggi di questo materia-
le utilizzando stadi connessi in cascata, come ad esem-
pio un driver GaAs seguito da uno stadio amplificatore
di potenza GaN. Una combinazione di questo tipo se
da un lato può semplificare l’aggiornamento di proget-
ti che possono così sfruttare le potenzialità offerte dalle
nuove tecnologie, dall’altro complica la progettazione
dei sottosistemi di potenza.
Requisiti di potenza di uscita
Le applicazioni RF spesso danno origine a sistemi
compatibili operanti sfruttando svariate sorgenti di
energia, comprese piccole batterie per dispositivi
portatili, HVDC per sistemi aeronautici, e ingressi
AC universali di sistemi ubicati in posizione fissa. A
seconda dei requisiti dell’applicazione, l’ordine di
grandezza della potenza RF di uscita può variare di
un ordine di grandezza pari a cinque o sei volte. I
requisiti di potenza di uscita, larghezza di banda e
densità funzionale sono fattori che determinano la
scelta della tecnologia degli amplificatori di potenza,
che a sua volta determina i requisiti di tensione di
alimentazione del trasmettitore.
Nonostante l’ampio range di possibili tensioni di in-
gresso e di uscita e di correnti di uscita, molte ap-
plicazioni RF hanno esigenze analoghe per quel che
riguarda i sottosistemi di potenza. Come risultato,
questi sistemi possono sfruttare alcune caratteristi-
che condivise dei convertitori di potenza. Quella più
importante è la risposta ai transitori dei sottosistemi
di potenza in presenza di variazioni di elevata entità
della corrente di carico.
Ci sono diversi modi di approcciare la progettazione
dei sottosistemi di potenza per applicazioni RF. Una
di queste prevede la separazione del blocco di poten-
za in due sottosezioni: una che “adatta” le caratteri-
stiche della tensione della sorgente di alimentazione
e l’altra che soddisfa i requisiti imposti dal carico, in
particolare dall’amplificatore di potenza RF.
I progettisti possono fare un rapido “mix and match”
Tab. 1 - Proprietà delle tecnologie a semiconduttori
comunemente impiegate in applicazioni RF