場效電晶體FET採用的LDMOS技術已經逐漸成為高功率射頻應用的主流技術，特別是在行動通訊系統基地台中所使用的功率放大器上，高達65V甚至更高的崩潰電壓使得LDMOS FET能夠在以28V電源運作時維持穩定與可靠度，這篇文章將介紹這類FET元件的特性，並提供幾種取得最佳效能的偏壓方式。

《圖一 LDMOS架構》

LDMOS特性

橫向擴散金氧半導體LDMOS（Laterally Diffused Metal-Oxide-Semiconductors） FET結構為在P型態半導體基體上形成N+源極以及汲極區的三端子元件，請參考(圖一)，採用橫向擴散、低阻值的P+吸入區將源極區與P+基體以及源極接點連接，這樣的組態讓基體可以直接與射頻接地焊接，因此能夠將接線寄生效應的影響降到最低。

閘極區域則透過一薄層SiO2與導通通道隔離，在閘極上加上相對於源極的正電壓可以透過在兩個N型區域間形成一個反向層或通道而讓電流在汲極與源極間流動，LDMOS FET以增強模式運作，代表了汲源極電流只有在加入正向閘極電壓強化P井區上的通道後才能通過。

當FET應用在放大時，通道電流由一個與正向閘極偏壓混合的交流信號調變，(圖二)顯示了在各種不同溫度下汲極電流與閘極電壓間的典型相對關係，另一方面，如GaAs FET與MESFET等射頻元件則需要相對源極的負向閘極偏壓驅動。

《圖二 LDMOS汲極電流與閘極電壓在不同溫度下的相對關係，取自Maxim應用筆記A4918》

偏壓考量

當LDMOS FET的溫度上升時，它的閘極臨介值會有所改變，gm下滑，導通電阻Rds（on）也會降低，這些效應在產品資料規格書中通常以閘極偏壓值經在25°C下為1V正規化後的圖形表示，不同的曲線顯示在不同溫度下維持特定汲極電流所需的偏壓變化，請參考(圖三)。LDMOS FET在低汲極電流下為正溫度係數，但在更有實際用途的工作電流時係數則轉變為負，帶來過熱失常的保護效果，功率放大器中FET的效能是線性度、效率與增益的平衡取捨，因此也帶來了必須在不同溫度、電源變化、偏壓點偏移以及老化情況下最佳的汲極電流安排需求。

《圖三 LDMOS偏壓與溫度的相對關係，取自Infineon PTF180901A產品資料規格書》

傳統的偏壓方式

(圖四)提供了控制閘極偏壓的兩種類比方式，較簡單的電路（a）採用分壓器與前向電壓變化為-2mV/°C的二極體來降低不同溫度下的靜態電流變化，不過卻有進行LDMOS FET與二極體搭配補償的困難度。

電路(b)則加入了一個經調校的溫度感測器來抵消二極體的變化，其中運算放大器提供了將溫度變化匹配LDMOS元件的增益，同時並使用手動式變阻器或EEPOT來設定起始點或偏移，雖然電路(b)優於電路(a)，但這兩者都假設簡單閘極電壓相對溫度變化的線性補償就能夠維持穩定的汲極電壓，但這卻不一定是事實，特別是在功率放大器的設計上，要得到更精確的補償需要進行非線性的調整，同時這樣的補償方式也不能改變汲極電壓來改善效率，因此最佳的補償方式就成為結合類比以及搭配混和信號技術的數位方式。

《圖四 各種簡單的偏壓電路》

新產品誕生

Maxim針對射頻功率放大器中LDMOS FET的偏壓控制應用開發了一系列產品，提供有A類與AB類功率放大器組態的溫度補償，同時具備自動功率控制，透過控制Vgs位準的大小來將汲極電流相對於射頻功率的變化以及汲極電壓最佳化，這些提供持續式控制的新元件包括有：

連續式控制方式提供了一些好處，例如能夠透過功率放大器的自動化設定來改善設定點的精確度降低生產成本、縮減元件選擇的條件、允許非線性補償，以及在靜態運作下功率放大器輸出功率降低時進行動態偏壓控制，整體的電路可以參考(圖五)。

《圖五 放大器輸出功率降低時進行動態偏壓控制》

前端元件是一個雙LDMOS高電壓端感測放大器與閘極驅動放大器，高電壓端感測放大器可以監測LDMOS FET在20mA到5A範圍的汲極電流，可以透過搭配外部感測電阻來迎合不同的電流大小，這款晶片提供了2倍或10倍的增益設定，標準輸入參考偏移電壓為0V或3mV，3mV的選項主要針對需要進行偏移歸零的應用。

感測放大器輸出以接地為基準，最高輸出電壓為5V，驅動放大器為限流型式，並提供邏輯控制的快速歸零箝位，箝位功能與線性介面無關，因此如果系統控制器偵測到錯誤並不會對它造成影響，這樣的安排可以帶來LDMOS FET的快速保護，放大器在設定上增益為2或4倍以便滿足各種LDMOS閘極電壓要求，在電源啟動與關閉時輸出變化則限制在±100mV。

在應用中MAX1350-1357以停機狀態啟動，因此感測與驅動放大器的輸出透過電阻電路連接到地，在這個狀態下元件耗電大約只有100μA，將外部/SHDN/輸入接腳的狀態由低電位改變為高電位可以啟動元件，帶來可控制的啟動功能並保護LDMOS元件。

雙射頻LDMOS偏壓控制器MAX1385-1386則是設定並控制雙射頻LDMOS功率元件偏壓，內含補償電路的產品，它包含有以上MAX1350-1357的電流感測與閘極驅動功能，並透過具備自動調校，不需困擾使用者的可程式增益放大器（PGA）加入電流感測功能的增益，因此能夠在使用時間與溫度變化下取得保證的精確度。

可以利用兩個外加的電流驅動採用二極體方式連接的電晶體來監測功率元件溫度，以及內部二極體來監測晶片本身的溫度，這些溫度值搭配上汲極電流以及兩個可以用來測量汲極電壓、射頻功率或監測任何其他功率放大器參數的預備用輸入，經多工處理連接到12bit的ADC，這些選擇可以在內部或外部控制下讀取單一通道或掃描所有通道，並將結果儲存在內部的FIFO中。

在控制方面，採用了較不精密的8bit DAC與10bit精準DAC來產生閘極驅動用的正向偏壓，閘極電壓緩衝器為限流組態，同時包含一個邏輯控制的快速箝位到零功能，不受串列介面影響以提供LDMOS保護，ADC資料、DAC設定以及控制暫存器都可以由主控處理器透過串列式SPI或I2C介面加以存取，依介面選擇（Interface Select）接腳的連接方式而定。

搭配開迴路控制的AB類LDMOS放大器是最常見的應用型式，使用客製化定義查找對照表與演算法的處理器利用DAC實現控制LDMOS閘極偏壓控制的數位控制迴路，可以以3個階段來加以實現：

《圖六 功能方塊圖》

特性定義

選用幾個LDMOS元件樣本來求取不同溫度下維持固定汲極電流的閘極電壓值，假設特性曲線在不同元件間相當吻合，不同元件在相同的汲極電流偏移電壓上也可能有所不同，但變化率卻不會有太大差異，取得的數值儲存在使用者系統中的非揮發性查找對照表中，當然也可以加入額外的查找對照表來進行其他項目的調整，例如降低輸出功率下的汲極電壓。

《圖七 演算法》

調校

在生產時，功率放大器的靜態汲極電流是以調校溫度，通常是室溫的條件加以測量，而DAC的值則經過調整直到汲極電流落在特定溫度指定的限制範圍內，DAC的VGS值則加以儲存做為起始點，對單點溫度調校而言，VGS的起始值會與查找對照表中相對溫度的理想VGS值比較，接著將實際與理想VGS值間的差距加以儲存做為特定元件的偏移，並將它加到溫度查找對照表中的每一個數值上，對於LDMOS元件的2點式溫度調校，可以計算特定元件的斜率（增益）係數，並透過將查找對照表中的每個數值乘上斜率係數來達到第一階的校正。

運作

定期地進行LDMOS元件溫度測量並與先前的數值比較，如果有所變化，那麼主控處理器會讀取查找對照表中的內容取得特性資料，並將DAC加以更新以便得到正確的汲極電流值。

由於使用主控處理器來處理溫度變化與其他因素的校正動作，因此帶來符合更複雜功能的校正動作，例如在調校曲線斜率的偏移與變化之外，老化處理的問題也可以被內建在主控端的演算法中。

MAX11008擁有與MAX1385-1386相同的功能，但為了控制閘極電壓進行溫度補償與自動化功率控制，它還內建了進行插補處理的非揮發式查找對照表，請見圖六。加入非揮發式查找對照表可以帶來設定後即可免擔心的偏壓設定，並讓偏壓控制器在沒有外加微控器的情況下進行穩定的偏壓控制，這個內含完整功能的偏壓控制方式可以移除射頻電路板上的所有數位信號，並讓偏壓控制器能夠更加貼近實際的LDMOS元件而不需擔心射頻頻譜中的數位穿透問題，兩個獨立的DAC通道實現了以下的功能：

《公式一》

其中VGATE為實際的放大閘極電壓，VSET是TCAL上的工廠設定閘極電壓，LUTTEMP{Temp}是取樣溫度的查找對照表中插補查找值，LUTAPC{APC}則是APC參數的自動功率控制（Automatic Power Control）查找對照表中的插補值。

使用者對查找對照表組態的控制擁有相當高的彈性，可以定義多達4種不同的查找表，例如兩個通道的每個獨立變數，同時使用者也可以依每個變數的不同解析度要求改變查找對照表的內容大小。

如果DAC的輸出是一個變數的函數，那麼我們就可以為每個通道各定義一個查找對照表或使用同一個具備更高解析度，兩通道共用的統一查找對照表。

此外，32 bytes的專用使用者記憶體也可以用來儲存任何電路板或功率放大器的辨識碼或者是調校資料，透過使用較小的查找對照表我們可以提供更多的使用者應用記憶空間，(圖七)中的圖表描述了演算法的型式以及可用的查找對照表指標，溫度係數儲存在記憶體位置64，我們可以選擇步階大小、表格偏移量以及插補比例（1:2、1:4或1:8），帶來低達0.25°C溫度變化的閘極電壓設定。

APC或其他參數儲存在記憶體位置32、64、128或192，依非揮發記憶體的組態而定，和之前一樣，步階大小、表格偏移量以及插補比例（1:2、1:4或1:8）都可以選擇，帶來28V汲極電源電壓下1mV的閘極電壓設定變化。

要實現較新的效率強化方式，例如自動化功率控需要仰賴功率放大器的輸出功率隨著時間變化，並依行動電話使用者與固定基地台間的距離而定，為了得到更高的效率，系統會在輸出功率或汲極電壓下滑時透過ADC迴路調整閘極電壓或汲極電流。

MAX11008的使用相當接近MAX1385-1386，同樣地，也可以透過測定LDMOS元件的特性來決定查找對照表中的數值，在調校溫度下，可以決定DAC的值並將它儲存在非揮發性的Vgate set暫存器中，在運作時，ADC監測溫度以及其他APC參數，如果有任何變化，MAX11008會透過利用查找對照表中數值進行插補處理，取得另一個DAC校正值將LDMOS汲極電流保持在接近理想的數字，當汲極電流為1A且感測電阻為75m時，誤差通常<0.9％，在汲極電流為250mA且感測電阻為300m時，誤差通常<1.75％，部分這些元件也可以用來監測並控制功率放大器線性化迴路以及其他射頻應用。

MAX11010與MAX11011在功能上和MAX11008類似，但卻沒有汲極電流感測與LDMOS驅動的能力，如果需要更高的設計彈性，請考慮選用以下的資料轉換器：MAX1020–1022、MAX1043、MAX1057-1058、MAX1221、MAX1223、 MAX1257-1258以及MAX1343，這些產品都提供有配備FIFO的多通道ADC、晶片內建通道掃描模式與內部資料平均處理、數個DAC與GPIO以及一個內建的±1°C精確度的溫度感測器，這些ADC與DAC的解析度都在10bit或12bit。

MAX11014-11015為MAX11008的衍生產品，擁有負向而非正向的閘極驅動能力，它們專門針對MESFET或GaAs FET應用設計，為了提供這些FET在錯誤情況下的保護，閘極驅動可以嵌位在外部設定的電壓值。

總結

以上所描述的積體電路產品能夠讓基地台功率放大器的設計工程師以完整且精簡的積體電路產品實現LDMOS偏壓控制，只需搭配少數的外加零件，為設計帶來更佳的彈性，這些元件同時也可以應用在工業與車用電子控制迴路上來實現電流感測與溫度補償，為了協助工程師評估這些產品，Maxim並提供有在個人電腦上執行調校與設定軟體的評估套件。

（作者為Maxim信號處理與轉換事業部應用總監）