eng
Выпуск #9/2018
Леонтьев Евгений Владимирович, Коротков Александр Станиславович, Балашов Евгений Владимирович
Методика анализа на устойчивость GaN HEMT в режиме большого сигнала при синтезе МИС УМ в САПР Microwave Offi ce
Методика анализа на устойчивость GaN HEMT в режиме большого сигнала при синтезе МИС УМ в САПР Microwave Offi ce
Просмотры: 1578
В статье показана методика анализа на устойчивость HEMT в режиме большого сигнала при синтезе МИС УМ в САПР Microwave Office. Описана методика определения устойчивости в режиме большого сигнала через LSS параметры нелинейной модели HEMT. Произведен синтез схемы обеспечения устойчивости HEMT и приведены соответствующие результаты.
УДК 621.375.4
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.453.455
УДК 621.375.4
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.453.455
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня СВЧ монолитные интегральные схемы (МИС) лежат в основе проектирования современной СВЧ-устройств для радио¬локационных, телекоммуникационных, спутниковых и иных радиоэлектронных систем. Технология GaN открыла для радиоэлектронной индустрии возможность проектирования СВЧ МИС усилителей мощности (УМ) с выходной мощностью более 20 Вт [1].
Многокаскадная структура современных МИС УМ позволяет получать высокий коэффициент усиления и применять на входе усилителя мощности малый уровень СВЧ сигнала, что дает возможность использовать в передающем тракте до усилителя мощности интегральные схемы, выполненные на более дешевой Si или GaAs технологии [2]. Передовым компонентом GaN технологии является транзистор с высокой подвижностью электронов в канале (High Electron Mobility Transistor, HEMT). В основе синтеза МИС УМ лежит применение нелинейной модели HEMT. Устойчивость многокаскадного усилителя мощности базируется на обеспечении устойчивости каждого активного элемента, поэтому анализ устойчивости GaN HEMT в нелинейном режиме является актуальной задачей при синтезе усилителя мощности.
Авторы считают, что в данной работе новым является определение методики анализа на устойчивость GaN HEMT в режиме большого сигнала, используя систему автоматизированного проектирования (САПР) Microwave Office.
Цель данной работы — описание методики анализа устойчивости GaN HEMT в САПР Microwave Office для задач проектирования МИС УМ. Согласно поставленной цели решены следующие задачи:
1. Анализ устойчивости HEMT в режиме большого сигнала.
2. Параметрический синтез схемы обеспечения устойчивости HEMT в режиме большого сигнала.
Анализ HEMT будет произведен на примере синтеза МИС усилителя мощности X-диапазона частот.
НЕЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ GAN HEMT
Синтез усилителя мощности базируется на использовании нелинейной модели. На рис. 1 представлена эквивалентная схема HEMT и показаны нелинейные части схемы [3].
В режиме большого сигнала нелинейными являются элементы активной области транзистора Cgs, Cgd, Gm и Rds.
Эквивалентная схема лежит в основе построения многих нелинейных моделей. К моделям для HEMT можно отнести Angelov-GaN модель [4] и EEHEMT модель компании Keysight Technologies (США). Модель EEHEMT, например, состоит из 52 параметров, среди которых параметры по постоянному току (VDSO, VSAT, GAMMA, KAPA, PEff и др.), параметры по переменному току (GAMMAAC, KAPAAC, C12SAT, CDSO и др.), параметры, отвечающие за физические эффекты в транзисторе (VBR, KBK, RDB, CBS и др.), и параметры, определяющие паразитные элементы (RG, RD, RS, CG, CD, CS, CPG, CPD) [5]. Сложность экстракции параметров HEMT и использование большого числа данных в решении задач проектирования MMIC делают все более актуальным применение САПР для разработки СВЧ-устройств.
САПР Microwave Office (National Instruments Corporation, США) — один из лидеров среди программного обеспечения по созданию радиочастотных и СВЧ-устройств. Компании — изготовители MMIC предоставляют нелинейные модели HEMT для данного программного продукта. В работе применяется нелинейная модель HEMT, выполненного по GaN-технологии NP25-00 (WIN Semiconductor Corporation, Тайвань), для САПР Microwave Office.
АНАЛИЗ HEMT В РЕЖИМЕ БОЛЬШОГО СИГНАЛА
Для получения высокой выходной мощности УМ работает в режиме большого сигнала, когда в полной мере проявляются нелинейные свойства активного элемента. В режиме малого сигнала безусловная устойчивость активного элемента определяется через параметры рассеивания транзистора (Scattering parameters, S-параметры). САПР Microwave Office предоставляет расчет параметров рассеивания в режиме большого сигнала (Large Signal S-parameter, LSS). На рис. 2 представлены S-параметры и LSS-параметры GaN HEMT 8x120 мкм после комплексно-сопряженного согласования по входу:
Традиционный подход к определению устойчивости HEMT строится на расчете собственного коэффициента устойчивости K и вспомогательного коэффициента B1:
,(1)
,(2)
.(3)
Использование LSS-параметров в определении устойчивости HEMT согласно данным уравнениям дало результаты, показанные на рис. 3:
Устойчивость HEMT в режиме большого сигнала является приоритетной в задачах синтеза MMIC УМ. В САПР Microwave Office коэффициенты K и B1 в режиме большого сигнала определяются через LSS-параметры нелинейной модели HEMT.
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ СХЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ HEMT
Вследствие протекания высоких токов на стоке транзистора, устойчивость HEMT вне рабочего диапазона частот целесообразно регулировать на затворе, так как в цепи подачи напряжения смещения на затвор ток не превышает 0,1 мА. Высокий коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот и обеспечение устойчивости целесообразно реализовать путем создания резонансного контура с паразитной емкостью Cgs транзистора на центральной частоте F0 = 10 ГГц:
.(4)
На рис. 4 представлена схема подачи напряжения смещения на затвор HEMT и приведены результаты анализа устойчивости в режиме большого сигнала (рис. 5) при Rg = 5 Ω, Rg1 = 23 Ω, Сsh = 2,6 pF.
Последовательное сопротивление Rg не вносит существенные потери в рабочем диапазоне частот, при этом значительно увеличивает устойчивость HEMT на высоких частотах. Сопротивление Rg1 и шунтирующий конденсатор Сsh выбраны из требований по занимаемой площади на кристалле и устойчивости активного элемента. Согласно предложенной схеме для обеспечения резонанса на центральной частоте Lg должна быть равна:
.(5)
На рис. 5 приведены результаты анализа коэффициента устойчивости K (Small Signal K) и результаты расчета коэффициента устойчивости, используя LSS-параметры, (Large Signal K) при разном уровне сигнала на входе.
Как видно из рисунка, транзистор устойчив при значении мощности на входе от 27 дБм до режима малого сигнала. Таким образом, в работе произведен синтез схемы обеспечения устойчивости HEMT и приведены соответствующие результаты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Устойчивость одного активного элемента является важным критерием при синтезе сложной структуры современных усилителей мощности. В данной работе показана методика анализа устойчивости HEMT в режиме большого сигнала. Программными средствами САПР Microwave Office приведен анализ устойчивости GaN HEMT, выполненного по технологии NP25-00 компании WIN Semiconductor, и показан синтез схемы, обеспечивающей безусловную устойчивость HEMT при разной мощности сигнала на входе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bettidi A., Cetronio A., Lavanga S., Nanni A. A Single Bias 20W S-Band HPA for Radar Application // Proceedings of the 5th European Microwave Integrated Circuits Conference, 27–28 September, 2010.
2. Hong-Qi Tao, Wei Hong, Bin Zhang, and Xu-MingYu. A Compact 60W X-Band GaN HEMT Power Amplifier MMIC // IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, 2016.
3. Steve Marsh. Practical MMIC Design // Artech House. INC, 2006, p. 178.
4. Angelov I., Zirath H. and Roshman N. A New Empirical Nonlinear Model for HEMT and MESFET Devices, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 40, No. 12, pp. 2258–2266, 1992.
5. Chalermwisutkul D. S. Large Signal Modeling of GaN HEMTs for UMTS Base Station Power Amplifier Design Taking into Account Memory Effects // PhD Thesis. — Aachen, Germany: Aachen University, 2009.
Сегодня СВЧ монолитные интегральные схемы (МИС) лежат в основе проектирования современной СВЧ-устройств для радио¬локационных, телекоммуникационных, спутниковых и иных радиоэлектронных систем. Технология GaN открыла для радиоэлектронной индустрии возможность проектирования СВЧ МИС усилителей мощности (УМ) с выходной мощностью более 20 Вт [1].
Многокаскадная структура современных МИС УМ позволяет получать высокий коэффициент усиления и применять на входе усилителя мощности малый уровень СВЧ сигнала, что дает возможность использовать в передающем тракте до усилителя мощности интегральные схемы, выполненные на более дешевой Si или GaAs технологии [2]. Передовым компонентом GaN технологии является транзистор с высокой подвижностью электронов в канале (High Electron Mobility Transistor, HEMT). В основе синтеза МИС УМ лежит применение нелинейной модели HEMT. Устойчивость многокаскадного усилителя мощности базируется на обеспечении устойчивости каждого активного элемента, поэтому анализ устойчивости GaN HEMT в нелинейном режиме является актуальной задачей при синтезе усилителя мощности.
Авторы считают, что в данной работе новым является определение методики анализа на устойчивость GaN HEMT в режиме большого сигнала, используя систему автоматизированного проектирования (САПР) Microwave Office.
Цель данной работы — описание методики анализа устойчивости GaN HEMT в САПР Microwave Office для задач проектирования МИС УМ. Согласно поставленной цели решены следующие задачи:
1. Анализ устойчивости HEMT в режиме большого сигнала.
2. Параметрический синтез схемы обеспечения устойчивости HEMT в режиме большого сигнала.
Анализ HEMT будет произведен на примере синтеза МИС усилителя мощности X-диапазона частот.
НЕЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ GAN HEMT
Синтез усилителя мощности базируется на использовании нелинейной модели. На рис. 1 представлена эквивалентная схема HEMT и показаны нелинейные части схемы [3].
В режиме большого сигнала нелинейными являются элементы активной области транзистора Cgs, Cgd, Gm и Rds.
Эквивалентная схема лежит в основе построения многих нелинейных моделей. К моделям для HEMT можно отнести Angelov-GaN модель [4] и EEHEMT модель компании Keysight Technologies (США). Модель EEHEMT, например, состоит из 52 параметров, среди которых параметры по постоянному току (VDSO, VSAT, GAMMA, KAPA, PEff и др.), параметры по переменному току (GAMMAAC, KAPAAC, C12SAT, CDSO и др.), параметры, отвечающие за физические эффекты в транзисторе (VBR, KBK, RDB, CBS и др.), и параметры, определяющие паразитные элементы (RG, RD, RS, CG, CD, CS, CPG, CPD) [5]. Сложность экстракции параметров HEMT и использование большого числа данных в решении задач проектирования MMIC делают все более актуальным применение САПР для разработки СВЧ-устройств.
САПР Microwave Office (National Instruments Corporation, США) — один из лидеров среди программного обеспечения по созданию радиочастотных и СВЧ-устройств. Компании — изготовители MMIC предоставляют нелинейные модели HEMT для данного программного продукта. В работе применяется нелинейная модель HEMT, выполненного по GaN-технологии NP25-00 (WIN Semiconductor Corporation, Тайвань), для САПР Microwave Office.
АНАЛИЗ HEMT В РЕЖИМЕ БОЛЬШОГО СИГНАЛА
Для получения высокой выходной мощности УМ работает в режиме большого сигнала, когда в полной мере проявляются нелинейные свойства активного элемента. В режиме малого сигнала безусловная устойчивость активного элемента определяется через параметры рассеивания транзистора (Scattering parameters, S-параметры). САПР Microwave Office предоставляет расчет параметров рассеивания в режиме большого сигнала (Large Signal S-parameter, LSS). На рис. 2 представлены S-параметры и LSS-параметры GaN HEMT 8x120 мкм после комплексно-сопряженного согласования по входу:
Традиционный подход к определению устойчивости HEMT строится на расчете собственного коэффициента устойчивости K и вспомогательного коэффициента B1:
,(1)
,(2)
.(3)
Использование LSS-параметров в определении устойчивости HEMT согласно данным уравнениям дало результаты, показанные на рис. 3:
Устойчивость HEMT в режиме большого сигнала является приоритетной в задачах синтеза MMIC УМ. В САПР Microwave Office коэффициенты K и B1 в режиме большого сигнала определяются через LSS-параметры нелинейной модели HEMT.
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ СХЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ HEMT
Вследствие протекания высоких токов на стоке транзистора, устойчивость HEMT вне рабочего диапазона частот целесообразно регулировать на затворе, так как в цепи подачи напряжения смещения на затвор ток не превышает 0,1 мА. Высокий коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот и обеспечение устойчивости целесообразно реализовать путем создания резонансного контура с паразитной емкостью Cgs транзистора на центральной частоте F0 = 10 ГГц:
.(4)
На рис. 4 представлена схема подачи напряжения смещения на затвор HEMT и приведены результаты анализа устойчивости в режиме большого сигнала (рис. 5) при Rg = 5 Ω, Rg1 = 23 Ω, Сsh = 2,6 pF.
Последовательное сопротивление Rg не вносит существенные потери в рабочем диапазоне частот, при этом значительно увеличивает устойчивость HEMT на высоких частотах. Сопротивление Rg1 и шунтирующий конденсатор Сsh выбраны из требований по занимаемой площади на кристалле и устойчивости активного элемента. Согласно предложенной схеме для обеспечения резонанса на центральной частоте Lg должна быть равна:
.(5)
На рис. 5 приведены результаты анализа коэффициента устойчивости K (Small Signal K) и результаты расчета коэффициента устойчивости, используя LSS-параметры, (Large Signal K) при разном уровне сигнала на входе.
Как видно из рисунка, транзистор устойчив при значении мощности на входе от 27 дБм до режима малого сигнала. Таким образом, в работе произведен синтез схемы обеспечения устойчивости HEMT и приведены соответствующие результаты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Устойчивость одного активного элемента является важным критерием при синтезе сложной структуры современных усилителей мощности. В данной работе показана методика анализа устойчивости HEMT в режиме большого сигнала. Программными средствами САПР Microwave Office приведен анализ устойчивости GaN HEMT, выполненного по технологии NP25-00 компании WIN Semiconductor, и показан синтез схемы, обеспечивающей безусловную устойчивость HEMT при разной мощности сигнала на входе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bettidi A., Cetronio A., Lavanga S., Nanni A. A Single Bias 20W S-Band HPA for Radar Application // Proceedings of the 5th European Microwave Integrated Circuits Conference, 27–28 September, 2010.
2. Hong-Qi Tao, Wei Hong, Bin Zhang, and Xu-MingYu. A Compact 60W X-Band GaN HEMT Power Amplifier MMIC // IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, 2016.
3. Steve Marsh. Practical MMIC Design // Artech House. INC, 2006, p. 178.
4. Angelov I., Zirath H. and Roshman N. A New Empirical Nonlinear Model for HEMT and MESFET Devices, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 40, No. 12, pp. 2258–2266, 1992.
5. Chalermwisutkul D. S. Large Signal Modeling of GaN HEMTs for UMTS Base Station Power Amplifier Design Taking into Account Memory Effects // PhD Thesis. — Aachen, Germany: Aachen University, 2009.
Отзывы читателей
