场效电晶体FET采用的LDMOS技术已经逐渐成为高功率射频应用的主流技术，特别是在行动通讯系统基地台中所使用的功率放大器上，高达65V甚至更高的崩溃电压使得LDMOS FET能够在以28V电源运作时维持稳定与可靠度，这篇文章将介绍这类FET元件的特性，并提供几种取得最佳效能的偏压方式。

《图一 LDMOS架构》

LDMOS特性

横向扩散金氧半导体LDMOS（Laterally Diffused Metal-Oxide-Semiconductors） FET结构为在P型态半导体基体上形成N+源极以及汲极区的三端子元件，请参考(图一)，采用横向扩散、低阻值的P+吸入区将源极区与P+基体以及源极接点连接，这样的组态让基体可以直接与射频接地焊接，因此能够将接线寄生效应的影响降到最低。

闸极区域则透过一薄层SiO2与导通通道隔离，在闸极上加上相对于源极的正电压可以透过在两个N型区域间形成一个反向层或通道而让电流在汲极与源极间流动，LDMOS FET以增强模式运作，代表了汲源极电流只有在加入正向闸极电压强化P井区上的通道后才能通过。

当FET应用在放大时，通道电流由一个与正向闸极偏压混合的交流信号调变，(图二)显示了在各种不同温度下汲极电流与闸极电压间的典型相对关系，另一方面，如GaAs FET与MESFET等射频元件则需要相对源极的负向闸极偏压驱动。

《图二 LDMOS汲极电流与闸极电压在不同温度下的相对关系，取自Maxim应用笔记A4918》

偏压考量

当LDMOS FET的温度上升时，它的闸极临介值会有所改变，gm下滑，导通电阻Rds（on）也会降低，这些效应在产品资料规格书中通常以闸极偏压值经在25°C下为1V正规化后的图形表示，不同的曲线显示在不同温度下维持特定汲极电流所需的偏压变化，请参考(图三)。LDMOS FET在低汲极电流下为正温度系数，但在更有实际用途的工作电流时系数则转变为负，带来过热失常的保护效果，功率放大器中FET的效能是线性度、效率与增益的平衡取舍，因此也带来了必须在不同温度、电源变化、偏压点偏移以及老化情况下最佳的汲极电流安排需求。

《图三 LDMOS偏压与温度的相对关系，取自Infineon PTF180901A产品数据规格书》

传统的偏压方式

(图四)提供了控制闸极偏压的两种类比方式，较简单的电路（a）采用分压器与前向电压变化为-2mV/°C的二极体来降低不同温度下的静态电流变化，不过却有进行LDMOS FET与二极体搭配补偿的困难度。

电路(b)则加入了一个经调校的温度感测器来抵消二极体的变化，其中运算放大器提供了将温度变化匹配LDMOS元件的增益，同时并使用手动式变阻器或EEPOT来设定起始点或偏移，虽然电路(b)优于电路(a)，但这两者都假设简单闸极电压相对温度变化的线性补偿就能够维持稳定的汲极电压，但这却不一定是事实，特别是在功率放大器的设计上，要得到更精确的补偿需要进行非线性的调整，同时这样的补偿方式也不能改变汲极电压来改善效率，因此最佳的补偿方式就成为结合类比以及搭配混和信号技术的数位方式。

《图四 各种简单的偏压电路》

新产品诞生

Maxim针对射频功率放大器中LDMOS FET的偏压控制应用开发了一系列产品，提供有A类与AB类功率放大器组态的温度补偿，同时具备自动功率控制，透过控制Vgs位准的大小来将汲极电流相对于射频功率的变化以及汲极电压最佳化，这些提供持续式控制的新元件包括有：

连续式控制方式提供了一些好处，例如能够透过功率放大器的自动化设定来改善设定点的精确度降低生产成本、缩减元件选择的条件、允许非线性补偿，以及在静态运作下功率放大器输出功率降低时进行动态偏压控制，整体的电路可以参考(图五)。

《图五 放大器输出功率降低时进行动态偏压控制》

前端元件是一个双LDMOS高电压端感测放大器与闸极驱动放大器，高电压端感测放大器可以监测LDMOS FET在20mA到5A范围的汲极电流，可以透过搭配外部感测电阻来迎合不同的电流大小，这款晶片提供了2倍或10倍的增益设定，标准输入参考偏移电压为0V或3mV，3mV的选项主要针对需要进行偏移归零的应用。

感测放大器输出以接地为基准，最高输出电压为5V，驱动放大器为限流型式，并提供逻辑控制的快速归零钳位，钳位功能与线性介面无关，因此如果系统控制器侦测到错误并不会对它造成影响，这样的安排可以带来LDMOS FET的快速保护，放大器在设定上增益为2或4倍以便满足各种LDMOS闸极电压要求，在电源启动与关闭时输出变化则限制在±100mV。

在应用中MAX1350-1357以停机状态启动，因此感测与驱动放大器的输出透过电阻电路连接到地，在这个状态下元件耗电大约只有100μA，将外部/SHDN/输入接脚的状态由低电位改变为高电位可以启动元件，带来可控制的启动功能并保护LDMOS元件。

双射频LDMOS偏压控制器MAX1385-1386则是设定并控制双射频LDMOS功率元件偏压，内含补偿电路的产品，它包含有以上MAX1350-1357的电流感测与闸极驱动功能，并透过具备自动调校，不需困扰使用者的可程式增益放大器（PGA）加入电流感测功能的增益，因此能够在使用时间与温度变化下取得保证的精确度。

可以利用两个外加的电流驱动采用二极体方式连接的电晶体来监测功率元件温度，以及内部二极体来监测晶片本身的温度，这些温度值搭配上汲极电流以及两个可以用来测量汲极电压、射频功率或监测任何其他功率放大器参数的预备用输入，经多工处理连接到12bit的ADC，这些选择可以在内部或外部控制下读取单一通道或扫描所有通道，并将结果储存在内部的FIFO中。

在控制方面，采用了较不精密的8bit DAC与10bit精准DAC来产生闸极驱动用的正向偏压，闸极电压缓冲器为限流组态，同时包含一个逻辑控制的快速钳位到零功能，不受串列介面影响以提供LDMOS保护，ADC资料、DAC设定以及控制暂存器都可以由主控处理器透过串列式SPI或I2C介面加以存取，依介面选择（Interface Select）接脚的连接方式而定。

搭配开回路控制的AB类LDMOS放大器是最常见的应用型式，使用客制化定义查找对照表与演算法的处理器利用DAC实现控制LDMOS闸极偏压控制的数位控制回路，可以以3个阶段来加以实现：

《图六 功能方块图》

特性定义

选用几个LDMOS元件样本来求取不同温度下维持固定汲极电流的闸极电压值，假设特性曲线在不同元件间相当吻合，不同元件在相同的汲极电流偏移电压上也可能有所不同，但变化率却不会有太大差异，取得的数值储存在使用者系统中的非挥发性查找对照表中，当然也可以加入额外的查找对照表来进行其他项目的调整，例如降低输出功率下的汲极电压。

《图七 算法》

调校

在生产时，功率放大器的静态汲极电流是以调校温度，通常是室温的条件加以测量，而DAC的值则经过调整直到汲极电流落在特定温度指定的限制范围内，DAC的VGS值则加以储存做为起始点，对单点温度调校而言，VGS的起始值会与查找对照表中相对温度的理想VGS值比较，接着将实际与理想VGS值间的差距加以储存做为特定元件的偏移，并将它加到温度查找对照表中的每一个数值上，对于LDMOS元件的2点式温度调校，可以计算特定元件的斜率（增益）系数，并透过将查找对照表中的每个数值乘上斜率系数来达到第一阶的校正。

运作

定期地进行LDMOS元件温度测量并与先前的数值比较，如果有所变化，那么主控处理器会读取查找对照表中的内容取得特性资料，并将DAC加以更新以便得到正确的汲极电流值。

由于使用主控处理器来处理温度变化与其他因素的校正动作，因此带来符合更复杂功能的校正动作，例如在调校曲线斜率的偏移与变化之外，老化处理的问题也可以被内建在主控端的演算法中。

MAX11008拥有与MAX1385-1386相同的功能，但为了控制闸极电压进行温度补偿与自动化功率控制，它还内建了进行插补处理的非挥发式查找对照表，请见图六。加入非挥发式查找对照表可以带来设定后即可免担心的偏压设定，并让偏压控制器在没有外加微控器的情况下进行稳定的偏压控制，这个内含完整功能的偏压控制方式可以移除射频电路板上的所有数位信号，并让偏压控制器能够更加贴近实际的LDMOS元件而不需担心射频频谱中的数位穿透问题，两个独立的ADC通道实现了以下的功能:

《公式一》

其中VGATE为实际的放大闸极电压，VSET是TCAL上的工厂设定闸极电压，LUTTEMP{Temp}是取样温度的查找对照表中插补查找值，LUTAPC{APC}则是APC参数的自动功率控制（Automatic Power Control）查找对照表中的插补值。

使用者对查找对照表组态的控制拥有相当高的弹性，可以定义多达4种不同的查找表，例如两个通道的每个独立变数，同时使用者也可以依每个变数的不同解析度要求改变查找对照表的内容大小。

如果DAC的输出是一个变数的函数，那么我们就可以为每个通道各定义一个查找对照表或使用同一个具备更高解析度，两通道共用的统一查找对照表。

此外，32 bytes的专用使用者记忆体也可以用来储存任何电路板或功率放大器的辨识码或者是调校资料，透过使用较小的查找对照表我们可以提供更多的使用者应用记忆空间， (图七)中的图表描述了演算法的型式以及可用的查找对照表指标，温度系数储存在记忆体位置64，我们可以选择步阶大小、表格偏移量以及插补比例（1:2、 1:4或1:8），带来低达0.25°C温度变化的闸极电压设定。

APC或其他参数储存在记忆体位置32、64、128或192，依非挥发记忆体的组态而定，和之前一样，步阶大小、表格偏移量以及插补比例（1:2、1 :4或1:8）都可以选择，带来28V汲极电源电压下1mV的闸极电压设定变化。

要实现较新的效率强化方式，例如自动化功率控需要仰赖功率放大器的输出功率随着时间变化，并依行动电话使用者与固定基地台间的距离而定，为了得到更高的效率，系统会在输出功率或汲极电压下滑时透过ADC回路调整闸极电压或汲极电流。

MAX11008的使用相当接近MAX1385-1386，同样地，也可以透过测定LDMOS元件的特性来决定查找对照表中的数值，在调校温度下，可以决定DAC的值并将它储存在非挥发性的Vgate set暂存器中，在运作时，ADC监测温度以及其他APC参数，如果有任何变化，MAX11008会透过利用查找对照表中数值进行插补处理，取得另一个DAC校正值将LDMOS汲极电流保持在接近理想的数字，当汲极电流为1A且感测电阻为75m时，误差通常

MAX11010与MAX11011在功能上和MAX11008类似，但却没有汲极电流感测与LDMOS驱动的能力，如果需要更高的设计弹性，请考虑选用以下的资料转换器：MAX1020–1022、MAX1043、MAX1057-1058 、MAX1221、MAX1223、 MAX1257-1258以及MAX1343，这些产品都提供有配备FIFO的多通道ADC、晶片内建通道扫描模式与内部资料平均处理、数个DAC与GPIO以及一个内建的±1°C精确度的温度感测器，这些ADC与DAC的解析度都在10bit或12bit。

MAX11014-11015为MAX11008的衍生产品，拥有负向而非正向的闸极驱动能力，它们专门针对MESFET或GaAs FET应用设计，为了提供这些FET在错误情况下的保护，闸极驱动可以嵌位在外部设定的电压值。

总结

以上所描述的积体电路产品能够让基地台功率放大器的设计工程师以完整且精简的积体电路产品实现LDMOS偏压控制，只需搭配少数的外加零件，为设计带来更佳的弹性，这些元件同时也可以应用在工业与车用电子控制回路上来实现电流感测与温度补偿，为了协助工程师评估这些产品，Maxim并提供有在个人电脑上执行调校与设定软体的评估套件。

（作者为Maxim信号处理与转换事业部应用总监）