Описується розробка однокаскадного копланарного монолітного підсилювача Ka-діа-пазона на основі вітчизняної наногетероструктурной 0,15 мкм GaAs mHEMT-техно-логії. Розглядаються основні етапи розробки, включаючи побудову нелінійної моделі транзистора, створення бібліотеки моделей елементів, проектування підсилювача за допомогою інтерактивних «візуальних» методів.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Добуш Ігор Мирославович, Коколя Андрій Олександрович, Дмитрієнко Костянтин Сергійович, Сальников Андрій Сергійович, Федоров Юрій Володимирович


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2010


    Журнал: Доповіді Томського державного університету систем управління і радіоелектроніки


    Наукова стаття на тему 'Копланарний монолітний підсилювач Ka-діапазону на основі вітчизняної GaAs наногетероструктурной технології'

    Текст наукової роботи на тему «Копланарний монолітний підсилювач Ka-діапазону на основі вітчизняної GaAs наногетероструктурной технології»

    ?УДК: 621.375.4

    І.М. Добуш, А.А. Коколя, К.С. Дмитрієнко, А.С. Сальников, Ю.В. Федоров, М.В. Черкашин, Ф.І. Шеєрмана, Л.І. Бабак

    Копланарний монолітний підсилювач Ka-діапазону на основі вітчизняної GaAs наногетероструктурной технології

    Описується розробка однокаскадного копланарного монолітного підсилювача Ка-діа-пазона на основі вітчизняної наногетероструктурной 0,15 мкм GaAs mHEMT-техно-логії. Розглядаються основні етапи розробки, включаючи побудову нелінійної моделі транзистора, створення бібліотеки моделей елементів, проектування підсилювача за допомогою інтерактивних «візуальних» методів.

    Ключові слова: копланарний підсилювач, СВЧ монолітні інтегральні схеми, моделі елементів.

    Вступ. Однією з головних тенденцій розвитку сучасної радіоелектронної і телекомунікаційної апаратури є розширення смуги частот і освоєння все більш високочастотних діапазонів для підвищення ємності каналів, швидкості і якості передачі даних. У зв'язку з цим актуальним завданням в даний час є розробка монолітних інтегральних схем (МІС) міліметрового діапазону хвиль.

    До основних споживачам СВЧ МІС, функціональних модулів, радіоелектронних пристроїв і систем в міліметровому діапазоні хвиль відносяться: високошвидкісні (1 Гбіт / с і вище) системи передачі даних; системи космічної, супутникового і мобільного зв'язку; радіолокаційні системи, включаючи радари для авіації і флоту, автомобільні радари і т.д .; системи спостереження і радіоуправління і ін. Ключовим складовим елементом цих систем, багато в чому визначальним дальність дії і інші якісні характеристики, є СВЧ монолітні підсилювачі.

    Розробка монолітних підсилювачів, особливо в міліметровому діапазоні хвиль, пов'язана з вирішенням складних завдань технології виготовлення і проектування МІС. Успішне проектування МІС можливо лише при наявності точних бібліотек моделей елементів МІС і сучасних програмних засобів автоматизованого проектування НВЧ-пристроїв.

    У статті розглядається розробка першого в Росії монолітного копланарного підсилювача (КУ) Ка-діапазону на базі 0,15 мкм GaAs mHEMT-технології, створеної в Інституті СВЧ напівпровідникової електроніки РАН (ІСВЧПЕ РАН, Москва). Розробка КУ включала розв'язання таких задач:

    1) Побудова та дослідження моделей активних і пасивних монолітних елементів на основі зондових вимірювань, створення бібліотеки елементів МІС для використовуваної технології.

    2) Розробка однокаскадного КУ з використанням методів і програм «візуального» проектування [1].

    3) Експериментальне дослідження КУ (на цьому етапі здійснюється апробація бібліотеки моделей елементів МІС).

    Побудова нелінійної моделі транзистора. Для проектування КУ необхідно мати нелінійну модель НВЧ-транзистора, яка повинна не тільки точно описувати в заданому діапазоні режимів по постійному струму і частот залежності коефіцієнта посилення і вихідної потужності від рівня сигналу, але і правильно відображати нелінійні ефекти при багаточастотних впливах, вирішувати оптимізацію навантажень транзистора по гармоникам і ін.

    В процесі розробки КУ використовувався базовий mHEMT-транзистор з шириною затвора 4x60 мкм (рис. 1), для якого була побудована нелінійна табличная модель за методикою [2].

    На рис. 2, а представлена ​​малосигнальная еквівалентна схема mHEMT-транзистора, а на рис. 2, б - його нелінійна зарядова модель, параметри якої визначаються з значень елементів малосигнальної еквівалентної схеми. У нелінійної моделі залежні джерела струму Igs (Vgs, VdS) і Ids (Vgs, Vds) відображають нелінійні властивості елементів

    Rgs, Іа. і gm схеми на рис. 2, а, а джерела заряду Qgs (Vgs, Vds) і QdS (УgsУds) - нелінійні властивості елементів Cgs, Cgd, Са. і постійної часу т.

    Мал. 1. Фотографія mHEMT-транзистора з шириною затвора 4x60 мкм

    G Lg

    Rd Ld D G Lg Rg

    Igs

    Qgs

    Про <> <> Про

    Qds

    Rd Ld D

    Ids

    ds = gm -Vgsi-expf-jojT)

    Rs

    Ls

    S

    а б

    Мал. 2. Моделі тНЕМТ-транзистора: малосигнальная еквівалентна схема (а) і нелінійна зарядова модель (б)

    При побудові моделі mHEMT-транзистора використовувалися наступні набори виміряних параметрів:

    1) Параметри розсіювання в діапазоні частот від 3 до 60 ГГц при напрузі Vgs = -1 В, Vds = 2 В і Vgs = -1,4 В, Vds = 3 В для екстракції зовнішніх параметрів Lg, Ls, Ld, Rg, Rs , Rd еквівалентної схеми.

    2) Параметри розсіювання на частоті 10 ГГц в діапазоні напруг Vgs = -1,6 ... 0 В (крок AVgs = 0,2 В), Vds = 0; 0,5; 1,5; 2,5; 3,5 В для визначення внутрішніх елементів малосигнальної еквівалентної схеми Rgs, gm, Rds, Cgs, Cgd, Cds і постійної часу т в зазначеному безлічі робочих точок.

    3) Вихідні вольт-амперні характеристики (ВАХ) (рис. 3).

    Для визначення зовнішніх і внутрішніх елементів малосигнальної еквівалентної схеми використовувалася модифікована методика [3]. Значення внутрішніх елементів малосигнальної еквівалентної схеми Rgs, gm, Rds, Cgs, Cgd, Cds і постійної часу т були графічно екстрапольовані до Vds = 5,5 В для того,

    150

    100

    50

    0

    Vgs = 0b,

    " '-1.6 В" -2 В

    10

    Vds, В

    Мал. 3. Вихідні ВАХ 0,15 мкм GaAs mHEMT-транзистора з шириною затвора 4x60 мкм

    щоб розширити діапазон робочих напруг моделі. На рис. 4 наведено залежності елементів еквівалентної схеми тНЕМТ-транзистора від напруг зсуву.

    Мал. 4. Залежності нелінійних параметрів малосигнальної моделі тНЕМТ-транзистора

    від напруг зсуву

    Нелінійні параметри малосигнальної еквівалентної схеми були апроксимовані двовимірними функціями напруг зсуву Vgs і Vds. Потім, використовуючи вирази для зарядових залежностей, були визначені параметри нелінійної зарядовим моделі транзистора (рис. 5).

    Мал. 5. Залежності нелінійних параметрів малосигнальної моделі mHEMT-транзистора

    від напруг зсуву

    Нелінійна табличная модель 0,15 мкм GaAs mHEMT-транзистора з шириною затвора 4x60 мкм була інтегрована в середу Microwave Office [4].

    На рис. 6 представлені результати порівняння виміряних параметрів розсіювання і отриманої нелінійної моделі при різних зсувах в діапазоні частот до 60 ГГц.

    Таким чином, отримана нелінійна табличная модель 0,15 мкм GaAs mHEMT транзистора з шириною затвора 6x40 мкм досить добре описує його характеристики на постійному і змінному струмі при різних умовах роботи і може використовуватися аж до частоти 60 ГГц.

    Дослідження пасивних монолітних елементів і побудова їх моделей в діапазоні частот до 50 ГГц детально розглянуто в [5].

    Створення бібліотеки елементів МІС. Після того як побудовано моделі елементів, для зручності розробника МІС вони об'єднуються в бібліотеки елементів. Такі бібліотеки містять електричні моделі і топологічні уявлення елементів МІС, а також деякі додаткові елементи. Топологія кожного елемента представлена ​​у вигляді параметризованих осередки. Такий підхід дозволяє звести до мінімуму зусилля розробника з побудови топології готової інтегральної схеми і прискорити проектування. Топологію інтегральної схеми можна експортувати в файл формату GDS II для підготовки фотошаблонів (цей файл описує шари МІС, кожен шар відповідає окремому фотошаблону).

    Після побудови моделей активних і пасивних елементів МІС була розроблена бібліотека для досвідченої 0,15 мкм mHEMT-технології ІСВЧПЕ РАН [6], вона інтегрована в комерційну САПР Microwave Office (MWO). З метою підвищення точності моделювання був реалізований автоматизований переклад топології МІС в тривимірну структуру, це дозволяє виконати повний електромагнітний аналіз топології МІС з включеними активними і пасивними елементами.

    в г

    Мал. 6. Частотні залежності малосигнальних параметрів розсіювання: Vgs = -0,4 В, Vds = 1,5 В (a); Vgs = -0,6 В, Vds = 2,5 В (б); Vgs = -1,2 В, Vds = 3 В (в); Vgs = -1,6 В, Vds = 4 В (г)

    Мал. 7. Ілюстрація схеми проектування МІС

    Розглянемо загальну схему проектування МІС СВЧ в САПР MWO з використанням бібліотеки елементів. Спочатку розробник проектує принципову електричну схему СВЧ-пристрої і проводить його моделювання з використанням закладених в бібліотеку моделей окремих елементів. Після досягнення позитивного результату він готує топологію МІС в цілому і проводить повний електромагнітний аналіз, а потім допрацьовує схему і топологію МІС. Якщо результати моделювання схеми задовольняють розробника, він експортує схему в файл GDS II і передає файл для виробництва фотошаблонів. Після виготовлення МІС проводиться її тестування. На рис. 7 приведена ілюстрація схеми проектування МІС (на прикладі коректує RC-ланцюга в ко-планарном виконанні).

    Розробка однокаскадного КУ. Після створення бібліотеки елементів МІС переходимо до наступного етапу - розробки однокаскадного КУ.

    У вихідні ВАХ транзистора (див. Рис. 3) була обрана робоча точка Vds = 5 В, Vgs = -1,2 В, відповідна лінійному режиму роботи. У вихідні ВАХ, використовуючи вираз (1), можна оцінити максимальну вихідну потужність, яку транзистор може віддати в навантаження:

    Pout -

    (I

    -1 | max -'mm

    ) • (U

    - і |

    max ^ mm

    8

    (1)

    Приймаємо, що 1тах - 1 ТТ = 65 мА, ит ^ - ітах = 9 В. Підставляючи ці значення в (1), отримуємо, що вихідна потужність Р0 ^ = 73 мВт = 18,6 дБм.

    На рис. 8 представлена ​​структурна схема однокаскадного КУ. В підсилювачі використовуються вхідні (СЦ1) і вихідна (СЦ2) реактивні погоджують ланцюга. Крім того, на вході транзистора включена паралельна RC-ланцюг для вирівнювання АЧХ і забезпечення стійкості підсилювача.

    Мал. 8. Структурна схема однокаскадного КУ

    На першому етапі проектування однокаскадного КУ проводиться синтез вихідний СЦ. За допомогою load-pull моделювання в середовищі Microwave Office на кількох частотах цікавить діапазону (30, 34, 36 ГГц) були отримані області допустимих значень (ОДЗ) коефіцієнта відбиття навантаження транзистора, в межах яких вихідна потужність складає не менше 17,5 дБм. За знайденими областям за допомогою програми «візуального» проектування LOCUS [7] синтезована вихідна СЦ на ідеальних елементах (рис. 9, а). Для досягнення більш кращих характеристик і зручності реалізації вихідна ланцюг була модифікована в середовищі Microwave Office (рис. 9, б).

    )

    а б

    Мал. 9. ОДЗ і годограф коефіцієнта відбиття навантаження вихідний СЦ, синтезованої за допомогою LOCUS (а) і модифікованої в MWO (б)

    На другому кроці зроблено розрахунок RC-ланцюга, що забезпечує необхідну вирівнювання АЧХ. Вхідна СЦ була синтезована за допомогою програми GENESYN, що базується на генетичних алгоритмах [8]. Отримана схема КУ на ідеальних елементах приведена на рис. 10.

    3 пФ 0.43 нГн 0.547 нГн

    О-I I - ППР-т-ППГ ^

    "0.075 пФ

    0.2 пФ

    100 Ом

    VW

    I 0.168 нГн

    ЗПФ

    0.013 нГн 0.28 нГн

    0.054 пФ

    0.023 нГн 3 пФ

    |ПЛГ ^ - ^ ЛГ ^-

    0.43 нГн

    ЗПФ

    Мал. 10. Принципова схема однокаскадного КУ на ідеальних елементах

    G, Poub -Pgain дБ

    | Sn |, | s22 |, дБ

    10

    -10

    -20

    У? / / / ^ -A G ч \

    ? / / / У \. \ \ \ \ \ V ......... \ ч

    ? /

    ? ? ? ? ? 'Ж * / Yv sn | f z ^ Pr ч / \ \ \ ч \ ч \ ч

    S Ж t ж | s22 | \\

    1.5

    0.5

    10

    20

    30

    Частота, ГГц а

    40

    50

    20

    10

    G, дБ

    bill, | s22l, ДБ

    -10

    -20

    \ \ ' »1 З

    - 1; ....... V i i i ": / ^

    | 1; % • * / if22 '

    * f

    60

    45

    30

    15

    Ю 20 30 40

    Частота, ГГц б

    Мал. 11. Частотні характеристики однокаскадного КУ: моделювання (а) і вимірювання (б)

    На заключному етапі ідеальні пасивні елементи в схемі однокаскадного КУ замінюються моделями монолітних елементів, виконаних на копланарних лініях, додані ланцюга харчування і проведена остаточна параметрическая оптимізація підсилювача в пакеті MWO. Результати моделювання малосигнальних параметрів розсіювання, а також коефіцієнта посилення Pgain і вихідної потужності Pout підсилювача при напря-

    жении втік-витік транзистора 5 В і вхідної потужності Рп = -1 дБм показані на рис. 11, а.

    Розроблена топологія однокаскадного монолітного КУ на копланарних лініях показана на рис. 12 (розміри кристала 0,9x1,8 мм). Частотні характеристики виготовленого КУ, виміряні за допомогою зондової станції безпосередньо на пластині, наведені на рис. 11, б. Виміряна максимальна вихідна потужність при стисненні 1 дБ склала Р = 1 дБ = 7 дБм. Відмінність виміряної вихідної потужності від передбаченого значення частково пояснюється тим, що в зв'язку з небезпекою пробою транзистора вимірювання проводилися при меншій напрузі на стоці (3,5 В). Струм, споживаний підсилювачем, становить 40 мА.

    Мал. 12. Фотографія кристала однокаскадного КУ

    Робота підтримана грантами в рамках ФЦП «Наукові та науково-педагогічні кадри інноваційної Росії» на 2009 - 2013 роки (напряму «Мікроелектроніка», «Нанотехнології» і «Електронна компонентна база», заходи 1.2.1, 1.2.2, 1.3.1 та 1.3.2).

    література

    1. Комплекс програм «візуального» проектування транзисторних НВЧ-підсилите-лей і пасивних ланцюгів / Л.І. Бабак, М.В. Черкашин, Д.А. Зайцев та ін. // Збірник доп. міжнар. наук.-практ. конф. «Електронні засоби та системи управління. Досвід інноваційного розвитку ». - Томськ: В-Спектр, 2007. - Ч. 2. - С. 113-115.

    2. Дмитрієнко К.С. Побудова нелінійної моделі GaAs mHEMT транзистора / К.С. Дмитрієнко, А.А. Коколя, Л.І. Бабак // Всерос. наук.-техн. конф. з міжнар. участю «Сучасні проблеми радіоелектроніки». - Красноярськ: Вид-во СФУ, -2010.

    3. Бабак Л.І. Програма синтезу узгоджувальних ланцюгів на основі генетичного алгоритму / Л.І. Бабак, В.А. Вьюшков // Збірник праць 16-ї Міжнар. Кримської конф. «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології». - М .: Вебер, - 2006. - Т. 1. -С. 209-210.

    4. Сальников А.С. Розробка бібліотеки елементів для вітчизняних GaAs технології СВЧ МІС в системі AWR Microwave Office / А.С. Сальников, А.А. Коколя, Ф.І. Шеєрмана // Всерос. наук.-техн. конф. з міжнар. участю «Сучасні проблеми радіоелектроніки». - Красноярськ: Вид-во СФУ, - 2010.

    5. Добуш І.М. Моделювання та експериментальне дослідження пасивних елементів СВЧ МІС в копланарном виконанні / І.М. Добуш, А.А. Коколя // Матер. доп. Всерос. наук.-техн. конф. студентів, аспірантів і молодих вчених «Наукова сесія ТУСУР-2010». - Томськ: В-Спектр, 2010. - Ч. 2. - С. 138-141.

    6. Сальников А.С. Розробка бібліотек елементів в середовищі Microwave Office для вітчизняних технологій виготовлення СВЧ МІС / А.С. Сальников, А.А. Коколя, Ф.І. Шеєрмана // Всерос. наук.-техн. конф. з міжнар. участю «Сучасні проблеми радіоелектроніки». - Красноярськ: Вид-во СФУ, - 2010.

    7. Шеєрмана Ф.І. LOCUS-MMIC - інтегроване середовище «візуального» проектування монолітних коригувальних і узгоджувальних ланцюгів / Ф.І. Шеєрмана, Л.І. Бабак, Д.А. Зайцев // Збірник доп. межд. наук.-практ. конф. «Електронні засоби та системи управління. Досвід інноваційного розвитку ». - Томськ: В-Спектр. 2007. - Ч. 2. -С. 154.

    8. Дорофєєв С.Ю. Організація універсальної програмної системи для синтезу радіоелектронних пристроїв на основі генетичного алгоритму / С.Ю. Дорофєєв, Л.І. Бабак // Доповіді ТУСУРа. - 2007. - № 2 (16). - С. 151-156.

    Добуш Ігор Мирославович

    Аспірант кафедри. комп'ютерних систем в управлінні і проектуванні (КСУП) ТУСУРа

    Тел .: + 7-923-402-92-86

    Ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Коколя Андрій Олександрович

    Студент каф. радіотехнічних систем (РТС) ТУСУРа

    Тел .: + 7-923-405-93-59

    Ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Дмитрієнко Костянтин Сергійович

    Інженер каф. КСУП ТУСУРа

    Тел .: + 7-903-913-81-03

    Ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Сальников Андрій Сергійович

    Магістрант кафедри. фізичної електроніки ТУСУРа

    Тел .: + 7-913-866-44-65

    Ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Федоров Юрій Володимирович

    Зав. лаб. Інституту СВЧ напівпровідникової електроніки РАН (ІСВЧПЕ РАН), м.Москва Ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Черкашин Михайло Володимирович

    Канд. техн. наук, доцент каф. КСУП, декан факультету обчислювальних систем (ФВС) ТУСУРа

    Тел .: + 7-906-948-86-48

    Ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Шеєрмана Федір Іванович

    Канд. техн. наук, доцент каф. КСУП

    Тел .: + 7-913-805-94-54

    Ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Бабак Леонід Іванович

    Канд. техн. наук, доцент каф. КСУП

    Тел .: + 7-960-969-91-52

    Ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Dobush I.M., Kokolov A.A., Dmitrienko K.S., Salnikov A.S., Fedorov Yu.V., Cherkashin M.V., Sheyerman F.I., Babak L.I.

    Ka-band monolithic coplanar amplifier based on the domestic heterojunction GaAs foundry

    This paper describes developing of the one-stage Ka-band monolithic coplanar amplifier based on the domestic heterojunction 0.15 um GaAs mHEMT foundry. The main stages of development, including transistor nonlinear model construction, creation of the element model library, coplanar amplifier designing with the help of interactive «visual» methods.

    Keywords: coplanar amplifier, microwave monolithic integrated circuits, element models.


    Ключові слова: копланарний підсилювач /СВЧ монолітні інтегральні схеми /моделі елементів

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити