УДК 621.375.132
GaN МИС усилителя с распределенным усилением
Салих Аятулла – студент магистратуры кафедры Телекоммуникаций и основ радиоэлектроники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.
Кудабай Ержан – студент магистратуры кафедры Телекоммуникаций и основ радиоэлектроники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.
Дмитриев Владимир Дмитриевич – кандидат технический наук, доцент кафедры Телекоммуникаций и основ радиоэлектроники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.
Аннотация: Публикация посвящена разработке монолитной интегральной схемы (МИС) усилителя с распределенным усилением (УРУ) на диапазоне частот 1-15 ГГц на основе нитрид-галлиевого (GaN) транзистора с повышенной подвижностью электронов (HEMT) с длиной затвора 100 нм на полуизолирующей кремниевой подложке (Si) в САПР AWR Design Environment 14. Технология нитрида-галлия (GaN) привлекла к себе внимание разработчиков своими мощностными характеристиками в широком диапазоне частот от постоянного тока до сотен гигагерц, а также своими шумовыми характеристиками. В статье представлены исследование ограничения по полосе частот и результаты моделирования в САПР. Спроектированный усилитель распределенного усиления с пятью ячейками усиления имеет площадь 2.6х1.9 мм², выполнен на основе технологии D01GH французской компании OMMIC. Полоса рабочих частот 1-15 ГГц, минимальный коэффициент усиления во всей полосе частот более 14 дБ, возвратные потери по входу/выходу не более -10 дБ.
Ключевые слова: монолитная интегральная схема, усилитель с распределенным усилением, нитрид-галлия, коэффициент передачи по мощности, оптимальное количество транзисторов.
Введение
Нитрид-галлия (GaN) полупроводник с широкой запрещенной зоной (3,5 эВ) соответственно имеет высокое электрическое поле пробоя (350 В/мкм) и высокую скорость насыщения электронов (2.7х107см/с) [5]. Таким образом монолитная интегральная схема, основанная на нитрид-галлиевом (GaN) транзисторе с высокой подвижностью электронов (HEMT), демонстрирует хорошие характеристики по мощности в диапазоне от постоянного тока до 100 ГГц [1]. Исследования нитрида-галлия (GaN) показали, что технология имеет низкий уровень коэффициента шума и может выдерживать более высокие уровни входной мощности на единицу площади, чем арсенид галлия (GaAs) [2].
Широкополосные СВЧ-усилители являются одними из ключевых устройств, которые используются в электронном оборудовании, радарах, высокоскоростной волоконно-оптической связи и широкополосных измерительных системах [5]. Благодаря достижениям в компонентах интегральных схем и в процессе их производства, усилители распределенного усиления открыли новые применения широкополосного усилителя. На миллиметровых частотах широкополосный усилитель используется в нескольких приложениях, таких как радиолокация, космическая радиометрия, оптоэлектроника, высокочастотные приемопередатчики, диагностика плазмы, сверхбыстрые измерительные системы и системы защиты. Основное требование этих приложений - усиление коротких импульсов или реализация высокой скорости передачи данных [4].
Принцип работы УРУ
Распределенный усилитель использует несколько иной подход к широкополосному усилению. В отличии от обычного каскадного или балансного усилителя транзисторы расположены параллельно. Входная и выходная емкости транзисторов так называемые паразитные компенсируются искусственными линиями передачи (LC-фильтры) (см. рис. 1). Такая структура позволяет избавится от некоторых ограничений в полосе частот.
Рисунок 1. Трехэлементный распределенный усилитель.
Для одиночного транзистора произведение коэффициента усиления на полосу пропускания в основном фиксировано. При удвоении ширины транзистора его коэффициент усиления увеличивается вдвое, но его полоса пропускания уменьшается вдвое из-за увеличения паразитной емкости. В распределенном усилителе количество ячеек усиления можно увеличить вдвое, удвоив усиление, но без ухудшения полосы пропускания. Это связано с тем, что паразитные емкости различных ячеек усиления не объединяются вместе, а разделены секциями линии передачи. Хотя на полосу пропускания это не влияет, время, необходимое для распространения сигнала от входа к выходу, увеличивается. Кроме того, из-за того, что источник и нагрузка подключаются к оконечным линиям передачи, распределенному усилителю присуще отличное широкополосное согласование. Наконец, обратите внимание, что количество ячеек усиления не может увеличиваться бесконечно из-за потерь в линиях передачи [1].
По мере того, как входной сигнал проходит по входной линии передачи (линии затвора), он последовательно возбуждает ячейки усиления, каждая из которых вводит ток в линию передачи выхода (стока). Этот ток делится поровну на левую и правую части. Если задержки между ячейками усиления в линии стока совпадают с задержками в линии затвора, правые токи, протекающие в нагрузку, складываются по фазе. Левые токи суммируются некогерентно и утилизируются в левом оконечном резисторе. Это показывает фундаментальную слабость распределенного усилителя; половина выходного тока теряется, что серьезно влияет на его эффективность. Это означает, что для сопоставимого произведения коэффициента усиления и ширины полосы распределенный усилитель потребляет больше энергии, чем другие схемы широкополосного усилителя. Вторым недостатком распределенного усилителя является потребность в большой площади из-за большого количества индуктивностей, необходимых для реализации лестничных цепей LC-фильтров.
Шумовые характеристики распределенного усилителя нелегко сопоставить с характеристиками усилителей других топологий. Вблизи постоянного тока минимальный коэффициент шума ограничен примерно 3 дБ из-за нагрузочного резистора входной линии. На более высоких частотах коэффициент шума не ограничивается нижней границей 3 дБ [2].
Расчет оптимального количества усилительных ячеек
Поскольку периферия транзистора известна (160 мкм) можно определить оптимальное количество транзисторов для разработки УРУ. Рассмотрим ограничения по частоте. Из выражения 1 известно, что:
(1)
где n – число транзисторов, Z0 – 50 Ом, ω – граничная частота 15 ГГц, Сзи – емкость затвор истока 0.3 пФ, сумма сопротивлений Rзи и R3 равна 9 Ом.
откуда:
(2)
Таким образом из выражения 2 можно сказать, что для данного полевого транзистора оптимальное количество транзисторов составляет 5.
Рабочие характеристики усилителя бегущей волны были исследованы в расчетном диапазоне частот 1–15 ГГц в зависимости от параметров полевого транзистора количества ячеек n.
Как говорилось ранее существует оптимальное количество транзисторов; при превышении оптимального количества дальнейший рост коэффициента усиления незначителен, что говорит о неэффективности простого наращивания усилительных ячеек. Также стоит сказать, что из-за влияния Сзи все же коэффициент усиления уменьшается на высоких частотах, однако спад происходит на более высоких частотах по сравнению с традиционными схемами. На рисунке 2 представлена зависимость коэффициента передачи от количества транзисторов схеме УРУ.
Рисунок 2. Зависимость коэффициента передачи от количества транзисторов схеме УРУ с 4 транзисторами (отличительная черта Δ), 5 транзисторами (отличительная черта ☐), 6 транзисторами (отличительная черта ੦), 7 транзисторами (отличительная черта 一), 8 транзисторами (отличительная черта ♢) и 9 транзисторами (отличительная черта ।).
Из графика 2 отчетливо видно, что при увеличении количества транзисторов применяемых в схеме УРУ рост коэффициента усиления становится все меньше с каждым транзистором, а также при этом рабочая полоса частот уменьшается.
Результаты моделирования
Как было определено ранее оптимальным количеством для проектирования УРУ на выбранном нитрид галлиевом полевом транзисторе будет 5.
Рисунок 3. Схема УРУ на основе идеальных LC элементов.
Частотные зависимости коэффициента усиления (S21) не менее 14 дБ с коэффициента отражения по входу и выходу (S11 и S22) не более -10 дБ. На рисунке 4 представлены S- параметры схемы на основе идеальных LC элементов.
Рисунок 4. Рисунок 7.2 ─ Коэффициент усиления (S21 отличительная черта Δ), коэффициент отражения по входу (S11 отличительная черта ☐), коэффициент отражения по выходу (S22 отличительная черта ♢).
Разработка топологии УРУ
Топология – это набор слоёв диэлектриков и проводников на пластине, которые в совокупности составляют усилитель. Проектирование топологии – это преобразование электрической схемы в описание послойной реализации схемных компонентов (транзисторов, конденсаторов, резисторов) в общей многослойной интегральной структуре. При разработке топологии МИС необходимо эффективно использовать площадь кристалла, минимизировать суммарную длину разводки и число пересечений в ней. Это позволит увеличить производительность, снизить материалоемкость и повысить выход годных МИС. На рисунке 5 представлены итоговые S- параметры топологии.
Рисунок 5. Коэффициент усиления (S21 отличительная черта Δ), коэффициент отражения по входу (S11 отличительная черта ☐), коэффициент отражения по выходу (S22 отличительная черта ♢).
На рисунке 6 представлена топология разработанного УРУ.
Рисунок 6. Топология усилителя 2600 х 1900 мкм.
Результирующая схема с микрополосковой реализацией, как упомянуто выше, изображена на рис. 6. На рисунках 5 показаны S- параметры топологии. Результаты топологического проектирования приемлемы для всей частоты. Результат показал разумное согласие с идеальным результатом. Катушки индуктивности, полученные в результате оптимизации, реализованы с помощью микрополосковой линии передачи. Кроме того, при преобразовании также учитываются затухание в линии и характеристический импеданс. Как задано по техническому заданию коэффициент усиления (S21) составил более 14 дБ, коэффициенты отражения достигли значения меньше -10 дБ, кроме нижней границы полосы. В дальнейшем эта проблема будет устранена.
Помимо приведенных графиков ниже приведен расчет выходной мощности при сжатии на 1 дБ, которая в рабочей полосе составила более 20 дБм (см. Рис 7).
Рисунок 7. Выходная мощность с компрессией на 1 дБ (отличительная черта Δ) и коэффициент усиления по мощности (отличительная черта ☐).
На выше приведены графики выходной мощности и коэффициента усиления. Уровень выходной мощности с компрессией на 1 дБ составил в максимуме составил 26 дБм, а уровень коэффициента усиления 15 дБ.
Заключение
Разработан распределенный усилитель. Он обеспечивает усиление 14-16 дБ в диапазоне 1–15 ГГц с отражениями на входе и выходе ниже -10 дБ и -9 дБ соответственно, при этом одна ячейка усиления потребляет 52 мА от источника питания 8 В и используется транзистор с периферией 160 мкм. В этой работе изучалось влияние на высокочастотные характеристики полевых транзисторов. Было определено оптимальное количество транзисторов для проектирования УРУ. Из рисунка 5.15 определенно видно, что схема их 5 ячеек усиления (5 транзисторов) показывают лучшие результаты относительно других вариантов. Было обнаружено, что высокочастотное усиление усилителя падает при увеличении количества используемых транзисторов, а также с каждым транзистором усиление растет все меньше. Модель усилителя разрабатывалась с использованием опубликованных экспериментальных результатов аналогичных устройств.
Список литературы
- Балакирев А., Туркин А. «Развитие технологии нитрида галлия и перспективы его применения в СВЧ-электронике» // Современная электроника.2015. № 4. С. 28–32.
- О. В. Алексеев «Усилители мощности с распределенным усилением» - «Энергия» Ленинградское отделение 1968 г., (дата обращения 17.01.2021).
- А.А. Кищинский - «Сверхширокополосные твердотельные усилители мощности СВЧ диапазона: схемотехника, конструкции,технологии» - АО «Микроволновые системы» [Электронный ресурс] https://mwelectronics. etu.ru/assets/files/2018/p4.pdf.
- Кищинский А.А. Твердотельные СВЧ усилители мощности на нитриде галлия – состояние и перспективы развития. Материалы 19-й Крымской международной конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, Вебер, 2009. С.12 – 16.
- «Силовые GaN-транзисторы: преимущества, рекомендации по использованию». [Электронный ресурс] https://mwelectronics. etu.ru/assets/files/2018/p4.pdf.