PEMODELAN DAN KARAKTERISASI NONLINIER PENGUAT DAYA RF LDMOS Aip Saripudin1 dan Mervin T. Hutabarat2 1
Jurusan Pendidikan Teknik Elektro, Fakultas Pendidikan Teknologi dan Kejuruan, Universitas Pendidikan Indonesia, e-mail:
[email protected] 2 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung, e-mail:
[email protected] Abstrak – Pada proyek ini, RF LDMOS D2081UK digunakan sebagai devais aktif untuk diteliti. Parameterparameter model nonlinier devais aktif telah diekstrak berdasarkan pada model TOM dengan bantuan perangkat lunak FETFIT 2.0. Parameter-parameter model ini kemudian digunakan untuk menganalisis perilaku nonlinier LDMOS dalam pengaruh eksitasi multinada menggunakan bantuan perangkat lunak SUPERDERIV 4.0. Hasilhasil simulasi multinada menunjukkan bahwa spektrum keluaran dari penguat daya frekuensi radio bergantung pada jumlah nada masukan. ACPR meningkat seiring peningkatan jumlah nada. Kata-kata Kunci: RF LDMOS, penguat daya, multinada, dan ACPR.
1.
Pendahuluan
Penguat daya dengan linieritas tinggi memainkan peranan penting dalam sistem komunikasi modern. Akan tetapi, penguat itu sendiri merupakan devais nonlinier. Perilaku nonlinier penguat daya dapat menghasilkan sinyal-sinyal distorsi intermodulasi (IMD) dan spurious. Dalam sistem GSM atau CDMA multikanal padat dewasa ini, sebagai contoh, respon IMD atau spurious akan sangat mungkin terbangkitkan dan akan menginterferensi transmisi sinyal atau kanal-kanal terdekat lainnya. Hal ini akan mengakibatkan kanal-kanal komunikasi menjadi bertumpuk. Salah satu metoda untuk mengarakterisikan perilaku nonlinier penguat daya frekuensi radio adalah analisis dua nada. Metoda ini telah dikaji dengan baik, baik secara teoretik maupun melalui eksperimen. Titik perpotongan orde ketiga (third order intercept point – IP3) merupakan parameter yang dapat dihitung melalui metoda ini dan menjadi standar mutu untuk menunjukkan kinerja penguat daya. Semakin tinggi IP3 penguat daya, semakin tinggi pula linieritasnya. Akan tetapi, karakterisasi nonlinier menggunakan analisis dua nada hanya berguna jika penguat daya dioperasikan pada daerah di bawah titik kompresi 1-dB (P1dB). Ketia penguat dioperasikan dekat dan di atas P1dB, akibat keterbatasan transistor, penguatan mulai menunjukkan gejala pinch-off (dalam kasus FET) saat tegangan gate-source sangat mendekati tegangan kanal. Produk-produk IMD kuat hadir dalam daerah ini. Kehadiran IMD seperti ini memerlukan metoda lain dalam mengarakterisasikan perilaku nonlinier untuk perancangan penguat daya.
Ketika metoda dua nada tidak cukup lagi untuk menjadi standar mutu, tanda distorsi lain, yaitu ACPR, harus dilibatkan dalam mengevaluasi kinerja linieritas penguat daya. Salah satu alternatif pengganti metoda dua nada adalah analisis multinada. Isu multinada telah dilaporkan oleh [1], [2], [3], and [4], tetapi ini masih merupakan kajian menarik untuk memasukannya sebagai standar mutu kinerja devais. Kerja yang dipresentasikan dalam paper ini berfokus pada karakterisasi perilaku nonlinier RF LDMOS dalam pengaruh eksitasi multinada. 2.
Pemodelan LDMOS Berbasis Model TOM
2.1 Pengukuran Karakteristik I-V Pengukuran karakteristik I-V transistor dilakukan menggunakan curve-tracer. Konfigurasi rangkaian yang digunakan adalah source bersama, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Di sini, perubahan arus drain, IDS, terhadap tegangan drainsource, VDS, pada beberapa harga tegangan gatesource, VGS, diukur. Gambar 2 menunjukkan kurva karakteristik IDS-VDS LDMOS D2081UK. Pengukuran IDS-VDS dilakukan pada rentang VGS = 1 – 3 V dengan spasi 0.2 V. Pengukuran pada VGS di atas 3 V tidak dilakukan karena pada tegangan tersebut transistor sudah menunjukkan gejala breakdown. Demikian pula pada tegangan VDS kurang dari 1 V, pengukuran tidak dilakukan, berkaitan dengan anggapan awal bahwa tegangan ambang transistor di atas 1 V.
IDS (mA)
200
+
IDS
VDD _
+
150 100 50
VDS
+
_
0
1
VGS
2
_
4
VGS (V)
Gambar 3 Kurva karakteristik IDS-VGS LDMOS D2081UK hasil pengukuran pada VDS = 1,0 V; 3,0 V; 5,0 V; dan 7,0 V
Gambar 1 Rangkaian yang digunakan dalam pengukuran untuk mendapatkan karakteristik I– V transistor. 200
2.2 Ekstraksi Parameter Model TOM
150
Model TOM (Triquint Owned Model) menganggap bahwa arus drain-source memenuhi fungsi analitis dalam bentuk berikut: I ds0 (1) I ds 1 Vds I ds0 dengan I ds0 [V gs ( f )Vds Vto ]Qg K tanh(Vds ) (2)
100 50
0
1
2
3
4
5
6
7
VDS (V) Gambar 2 Kurva karakteristik IDS-VDS LDMOS D2081UK hasil pengukuran pada VGS = 2,0 V; 2,2 V; 2,4 V; 2,6 V; 2,8 V dan 3V.
Dari Gambar 2 terlihat bahwa kurva pada VDS tinggi (saturasi) memiliki kemiringan positif. Ini menunjukkan bahwa transistor memiliki konduktansi yang positif dan efek termal tidak terlihat. Umumnya efek termal berupa pemanasan sendiri (self-heating) dapat terjadi pada VGS dan VDS tinggi yang mengakibatkan kemiringan kurva negatif. Untuk menghindari efek pemanasan sendiri dilakukan pengukuran pulsa (pulse measurement). Kurva IDS-VGS hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar 3.3. Dari gambar tersebut terlihat bahwa LDMOS D2081UK memiliki tengangan ambang (threshold), VT0, ~1,7 V. Ini menunjukkan bahwa transistor mulai bekerja, arus mengalir dari drain ke source, pada tegangan VGS = 1,7 V tersebut. Tegangan ambang ini masih berada dalam rentang 1 – 7 V seperti yang diberikan pada lembar data pabrik.
8
Beberapa fitur model TOM mudah mengendalikan penyesuaian (fitting) gm sebagai fungsi Vgs, modulasi umpan balik elektrostatik (yakni, tegangan pinch-off yang besarnya meningkat terhadap peningkatan Vds) dan merupakan cara pemodelan sederhana tentang kebergantungan Rds pada Vgs, Vds, dan temperatur kanal. Model TOM juga memasukkan efek umpan balik drain bersamaan dengan pengurangan konduktansi drain yang disebabkan oleh pemanasan sambungan melalui penggunaan parameter δ.
200
IDS (mA)
IDS (mA)
3
150 100 50
0
1
2
3
4
5
6
7
VDS (V)
Gambar 4 Karakteristik IDS-VDS LDMOS D2081UK: hasil pengukuran () versus model (-).
8
150
dengan An adalah amplitudo sinyal berfrekuensi n. Keluaran penguat daya dapat dinyatakan melalui deret Taylor terpangkas sebagai berikut:
100
v 0 k1 v i k 2 v i2 k 3 v i3
IDS (mA)
200
dengan k1, k2, dan k3 adalah koefisien-koefisien turunan.
50
0
(4)
1
2
3
4
VGS (V)
Gambar 5 Karakteristik IDS-VGS LDMOS D2081UK: hasil pengukuran () versus model (-).
Selanjutnya, dengan memasukkan Persamaan (3) ke dalam Persamaan (4) dan menyusun kembali hasilnya, diperoleh sinyal keluaran sebagai berikut: vo k1 An 34 k3 An3 32 k3 An Am2 cos nt n 1 m 1 mn
Gambar 4 dan 5 menunjukkan karakteristik I-V LDMOS D2081UK hasil pengukuran versus model TOM. Kesalahan penyesuaian model pada mode saturasi sekitar 2 % dan pada mode triode 4 %. Ini menunjukkan bahwa penyesuaian antara hasil pengukuran dan pemodelan memiliki ketelitian yang cukup baik. Parameter-parameter LDMOS D2081UK hasil ekstrak berbasis model TOM diperlihatkan pada tabel 1. Parameter-parameter model ini kemudian digunakan sebagai data untuk mengarakterisasikan perilaku nonlinier penguat daya dengan eksitasi multinada. Tabel 1 Parameter Model TOM dari LDMOS D2081UK
Simbol
Parameter
Nilai
Satuan
q
Parameter q
2.1767
-
Parameter delta
5.35506e-05
W-1
Parameter gamma
0,015469
-
Parameter alpha
1.30791
V-1
Parameter beta
0,0883621
S
vto
Tegangan ambang
1.70019
V
3.
Distorsi Intermodulasi (IMD) Multinada
3.1 Formulasi Matematis IMD Dalam analisis multinada, masukan penguat daya dapat dinyatakan oleh
v i An cos( n t ) n 1
(3)
12 k2 An2 1 cos 2 nt n 1
cos( n m )t 12 k2 An Am n 1m 1 cos( n m )t mn
(5)
14 k3 An3 cos 3 nt n 1
cos( 2 m n )t 34 k3 An Am2 n 1m 1 cos( 2 m n )t mn
cos( n m l )t cos( n m l )t 32 k3 An Am Al cos( n n l )t n 1m 1 l 1 mn l n lm cos( n n l )t
Baris pertama pada Persamaan (5) merupakan bagian linier dari respon keluaran sistem, dan terlihat bahwa semua frekuensi fundamental muncul. Baris kedua dan ketiga menunjukkan harmonik orde kedua. Pada bagian ini, terlihat bahwa terdapat 2n respon keluaran yang sebanding dengan cos( n m )t dan 2n respon keluaran yang sebanding dengan cos( n m )t . Sementara itu, baris keempat sampai baris keenam menunjukkan harmonik orde ketiga. Di sini terlihat ada 2n respon keluaran sebanding dengan cos(2 n k )t dan 2n respon keluaran sebanding dengan cos(2 n k )t . Selain itu, pada baris keenam, yang hanya muncul jika n 3, ada (n 2) 2 respon keluaran yang sebanding dengan cos( n m k )t , cos( n m k )t ,
cos( n m k )t , dan cos( n m k )t . Respon-respon keluaran selain frekuensi fundamental muncul akibat campuran nonlinier dari n sinyal masukan, dan berkaitan dengan distorsi intermodulasi dari bentuk gelombang respon keluaran.
Karakterisasi IMD
Sinyal-sinyal multinada digunakan untuk menyatakan sinyal-sinyal broadband. Dalam kasus ini, diasumsikan bahwa sinyal-sinyal broadband dapat digambarkan sebagai N sinyal diskrit (N bilangan bulat positif) dengan frekuensi berbeda. Jika f adalah spasi antara satu sinyal dengan sinyal terdekat lainnya, kita mendapatkan hubungan
f
BW N 1
Level Keluaran (dBm)
3.2
(6)
Level Keluaran (dBm)
1000
1005
ACPR (dBc)
-10 -15 -20 -25 -30 -35 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Jumlah Nada Gambar 9 ACPR versus jumlah nada masukan.
1000
1005
Gambar 6 Spektrum keluaran penguat daya untuk N = 5.
Level Keluaran (dBm)
-20 -30 995
-40
Frekuensi (MHz)
30 20 10 0 -10 -20 -30 995
0 -10
Gambar 8 Spektrum keluaran penguat daya untuk N = 11.
Sinyal-sinyal broadband memiliki bandwidth 1,35 MHz dengan frekuensi tengah 1 GHz. Semua sinyal memiliki amplitudo sama, yakni 0 dBm. Bias VGS = 2,2 V and VDS = 8 V.
30 20 10 0 -10 -20 -30 995
10
Frekuensi (MHz)
dengan BW adalah bandwidth dan N adalah jumlah nada. Dalam hal ini kami mengambil nilai N adalah bilangan ganjil dan lebih dari 2.
Gambar 6, 7, dan 8 menunjukkan spektrum keluaran penguat daya untuk sinyal input yang terdiri dari 5, 9, dan 11 nada secara berturutan. Kita dapat melihat bahwa level-level kanal terdekat (kanal di sisi spektrum fundamental) meningkat seiring peningkatan jumlah nada.
30 20
Nilai-nilai ACPR dapat ditentukan dari spektrum keluaran amplifier. ACPR adalah singkatan dari adjacent channel power ratio, yakni, perbandingan antara level daya kanal terdekat dan level daya fundamental. ACPR versus jumlah nada ditunjukkan pada Gambar 9. Kita dapat melihat dari gambar ini bahwa ACPR meningkat seiring meningkatnya jumlah nada. Ini berarti bahwa peningkatan jumlah nada menyebabkan menurunnya kinerja penguat. 4.
1000
Frekuensi (MHz) Gambar 7 Spektrum keluaran penguat daya untuk N = 9.
1005
Simpulan
Pemodelan dan karakterisasi perilaku nonlinier penguat daya RF LDMOS dalam pengaruh eksitasi multinada telah dilakukan. Karakteristik I-V RF LDMOS D2081UK hasil pengukuran dan hasil pemodelan berbasis model TOM menunjukkan kesesuaian cukup tinggi. Hasil ini mengindikasikan bahwa parameter-parameter model yang diperoleh cukup memenuhi syarat untuk dijadikan data pada karakterisasi perilaku nonlinier devais tersebut dalam pengaruh eksitasi multinada.
Hasil simulasi multinada menunjukkan bahwa ACPR meningkat siring meningkatnya jumlah nada. Dengan demikian, karakterisasi nonlinier dalam pengaruh eksitasi multinada dapat dijadikan salah satu metoda untuk menguji linieritas penguat daya frekuensi radio, terutama penguat daya frekuensi radio yang akan digunakan dalam sistem komunikasi multikanal. Daftar Pustaka [1] A. Saripudin, M.T. Hutabarat, B.R. Alam, “Characterization of Nonlinear Behavior of HFET Power Amplifier IC Based on Multitone Measurement and Simulation”, IEEE AsiaPacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS), Singapore, December 2002. [2] R. Hajji and F. Bearegard, “Multitone Power and Intermodulation Load-Pull Characterization on Microwave Transistors Suitable for Linear SSPA’s Design”, IEEE Transactions on Theory and Tech., Vol. 45, No. 7, July 1997. [3] N.B. Carvalho and J.C. Pedro, “Multi-tone Intermodulation Distortion Performance of 3rd Order Microwave Circuits”, IEEE Int. Microwave Theory and Tech. Symp. Digest, pp 763-766, Anaheim, June 1999. [4] D. Agahi, W. Domino, and N. Vakilian, “Twotone vs. Single-tone Measurement of Second Order Nonlinearity”, Microwave Journal, Vol. 45, No. 3, pp. 82-104, March 2002. [5] Errede, Steve, Prof., “Theory of Distortion II” UIUC Physics 398EMI, Department of Physics, University of Illinois at UrbanaChampaign, IL, 2000. [6] Khusaidi, A., Riyadi, M.A., and Alam, B.R., “Characterization and Modeling of GaAs HFET Toward Design of Linear 2.4 GHz High Power Amplifier”, Asia-Pacific Microwave Conference, Sidney Australia, 3-6 December 2000.
