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.

1

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:

f1   (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:

f2   (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.

2

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.

3

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.

4

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.

5

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.

6

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).

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

  1. Балакирев А., Туркин А. «Развитие технологии нитрида галлия и перспективы его применения в СВЧ-электронике» // Современная электроника.2015. № 4. С. 28–32.
  2. О. В. Алексеев «Усилители мощности с распределенным усилением» - «Энергия» Ленинградское отделение 1968 г., (дата обращения 17.01.2021).
  3. 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.
  4. 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.
  5. «Силовые GaN-транзисторы: преимущества, рекомендации по использованию». [Электронный ресурс] https://mwelectronics. etu.ru/assets/files/2018/p4.pdf.