Resumen Este artículo presenta una técnica para mejorar el proceso de diseño industrial de transistores de microondas, basado en un diseño de experimentos mejorado (DOE) y un modelado electrotérmico (MET) expandido. El diseño de experimentos DOE permitió centrar el diseño a través de variaciones en parámetros específicos, para evitar complejas simulaciones electromagnéticas de acoplamiento mutuo entre los cables dentro del mismo transistor, que generalmente en herramientas CAD convencionales presentan un elevado costo computacional. El modelo electrotérmico mejorado utilizando la técnica de voltajes efectivos posibilitó predecir no solo el autocalentamiento, sino también las impedancias apropiadas para la máxima potencia de salida y la máxima eficiencia del transistor. De esta manera fue posible elegir las condiciones de operación que garantizaran un reducido autocalentamiento, así como las mejores condiciones de potencia, eficiencia y linealidad. Las técnicas presentadas son útiles para la implementación de amplificadores de potencia en los futuros sistemas de comunicación inalámbricos, ya que deben trabajar con potencias elevadas que producen autocalentamiento y con señales de gran ancho de banda. La combinación de ambas técnicas permite la reducción de diseño y tiempo de producción en el ámbito industrial. El diseño de experimento mejorado posibilitó centrar el diseño del transistor para asegurar la obtención de los mejores desempeños del transistor. La caracterización térmica facilitó que el transistor de microondas, implementado en un circuito impreso de potencia, funcionara por debajo de la temperatura máxima permitida, lo que garantiza su vida útil y, en consecuencia, la confiabilidad del sistema de transmisión completo.

Abstract This paper presents a technique to improve the design process of microwave transistors based on two aspects: an improved design of experiment test (DOE), and an electro-thermal enhanced model (MET). The DOE test allowed us to center the design through variations in specific parameters, avoiding complex electromagnetic simulations of mutual coupling between the wires inside the transistor, which generally, in conventional CAD tools present a high computational cost. The electro-thermal model, enhanced by using the effective voltage approach, allowed us to predict not only the self-heating phenomena, but also the appropriate impedances for transistor´s maximum output power and maximum efficiency. In this way it was possible to select the operating conditions which can warrant low self-heating and the best trade-off between power, efficiency and linearity. The presented techniques are specifically important for the implementation of power amplifiers for the future wireless communication systems which must be designed to operate with broad band signals. The combination of our proposed techniques can allow the reduction of the design time and associated costs at industrial level. The improved design of experiment permitted to center the design of the transistor, making sure that the designer can get the best performances of the transistor. The thermal characterization allows to make sure that the microwave transistor operates below the maximum allowed temperature in a built power amplifier, which warrants the reliability of the system.

Resumo Este artigo apresenta uma técnica para melhorar o processo de desenho industrial de transistores de micro-ondas baseado em dois pilares: um desenho de experimentos melhorado (DOE); e um modelado eletro-térmico (MET) expandido. O desenho de experimentos DOE permitiu centrar o desenho através de variações em parâmetros específicos, evitando complexas simulações eletromagnéticas de acoplamento mútuo entre os cabos dentro do mesmo transistor, que geralmente em ferramentas CAD convencionais apresentam um elevado custo computacional. O modelo eletro-térmico melhorado utilizando a técnica de voltagens efetivas permitiu predizer não só o auto-aquecimento, mas também as impedâncias apropriadas para a máxima potência de saída e a máxima eficiência a nível de transistor. Desta maneira foi possível escolher as condições de operação que garantem um reduzido auto-aquecimento e as melhores condições de potência eficiência e linearidade. As técnicas apresentadas são úteis para a implementação de amplificadores de potência nos futuros sistemas de comunicação sem fio já que devem trabalhar com potências elevadas que produzem auto-aquecimento e com sinais de grande largura de banda. A combinação de ambas as técnicas permite a redução de desenho e tempo de produção a nível industrial. O desenho de experimento melhorado permitiu centrar o desenho do transistor assegurando que se obtenham as melhores performances que o transistor é capaz de entregar. A caracterização térmica permitiu assegurar que o transistor de micro-ondas, implementado em um circuito impresso de potência, funcione por baixo da temperatura máxima permitida, o que garante sua vida útil e em consequência a confiabilidade do sistema de transmissão completo.

Resumen En el presente trabajo se ha presentado un análisis de transistores de efecto de campo usando fuentes de voltaje pulsadas. Se han realizado medidas de microondas en dispositivos de tecnología HEMT’s y LDMOS poniendo en evidencia la diferencia entre el comportamiento estático y dinámico de dichos dispositivos. En base a las medidas se ha realizado un procesamiento de datos derivando una nueva ecuación con la capacidad de reproducir ambos tipos de comportamiento con elevada precisión y en diferentes puntos de operación. Consecuentemente el trabajo aporta un nuevo modelo basado en un circuito no lineal de cuatro terminales. La relevancia de este modelo es la capacidad de predecir los efectos físicos como la dispersión frecuencial y la movilidad electrónica del dispositivo semiconductor. Esto es importante pues la dispersión frecuencial es uno de los problemas más importantes de los sistemas de comunicación modernos que genera efectos memoria limitando la capacidad de transmitir señales de gran ancho de banda. El hecho de poder predecir la movilidad electrónica y la dispersión frecuencial ayudan al diseñador de circuitos a mejorar su calidad y tiempo de diseño. Además, permite a la industria de fabricación de componentes de RF ahorrar costos de producción pues esta técnica permite predecir el comportamiento de los circuitos antes de implementarlos. La metodología para la obtención del modelo compacto ha sido validada a través de la implementación de un amplificador de potencia en tecnología LDMOS usando la técnica propuesta. El modelo propuesto es abierto puesto que la nueva técnica propuesta se puede implementar en cualquiera de los modelos convencionales usados actualmente en el ámbito industrial y académico.

Abstract In this work presents an analysis of field effect transistors using pulsed voltage sources has been presented. Microwave measurements have been made in HEMT's and LDMOS technology devices highlighting the difference between the static and dynamic behavior of these devices. Based on measurements, data processing has been performed, deriving a new equation with the ability to reproduce both types of behavior with high precision and at different points of operation. Consequently, the work provides a new model based on a non-linear four-terminal circuit. The relevance of this model is the ability to predict physical effects such as frequency dispersion and electronic mobility of the semiconductor device. This is important because the frequency dispersion is one of the most important problems of modern communication systems that generates memory effects limiting the ability to transmit signals of high bandwidth. The fact of being able to predict the electronic mobility and the frequency dispersion help the circuit designer to improve their quality and design time. It also allows the RF component manufacturing industry to save production costs as this technique allows to predict the behavior of the circuits before implementing them. The presented methodology has been validated through the implementation of a power amplifier in LDMOS technology using the proposed technique. The proposed model is open since the proposed new technique can be implemented in any of the conventional models currently used in the industrial and academic field.

Resumo No presente artigo apresenta-se uma análise de transistores de efeito de campo usando fontes de voltagem pulsadas. Foram realizadas medidas de micro-ondas em dispositivos de tecnologia HEMT’s e LDMOS deixando em evidência a diferença entre o comportamento estático e dinâmico de tais dispositivos. Em base às medidas foi realizado um processamento de dados derivando uma nova equação com a capacidade de reproduzir ambos tipos de comportamento com elevada precisão e em diferentes pontos de operação. Consequentemente o trabalho aporta um novo modelo baseado em um circuito não lineal de quatro terminais. A relevância deste modelo é a capacidade de predizer os efeitos físicos como a dispersão frequencial e a mobilidade eletrônica do dispositivo semicondutor. Isto é importante pois a dispersão frequencial é um dos problemas mais relevantes dos sistemas de comunicação modernos que gera efeitos memória limitando a capacidade de transmitir sinais de grande largura de banda. O fato de poder predizer a mobilidade eletrônica e a dispersão frequencial ajudam ao desenhador de circuitos a melhorar sua qualidade e tempo de desenho. Além disso, permite à indústria de fabricação de componentes de RF economizar custos de produção pois esta técnica permite predizer o comportamento dos circuitos antes de implementá-los. A metodologia para a obtenção do modelo compacto tem sido validada através da implementação de um amplificador de potência em tecnologia LDMOS usando a técnica proposta. O modelo proposto é aberto já que a nova técnica proposta pode ser implementada em qualquer dos modelos convencionais usados atualmente no âmbito industrial e acadêmico.

Abstract This work presents a new methodology for modeling, design and implementation of power amplifiers in different technologies. As result of comparison, a flowchart with a new methodology is proposed which can be useful for the designer to design and implement power amplifiers with low, medium and high power devices in different technologies. This paper is divided in 4 parts: The first one is an introduction to the importance of modeling and design techniques in the final implementation of power amplifiers for the modern communication systems. The second one details the modeling process for different technologies, which final result is a unified model. The third part is related with the characterization of high power transistors, with special emphasis on substrate characterization and final implementation of a power amplifier. Finally, in the fourth part, the new methodology is proposed based on the comparisons of previous procedures.