CC BY
326
УДК 621.382.323
ИЗМЕРЕНИЯ МИНИМАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА pHEMT ТРАНЗИСТОРОВ
В САНТИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ
Э.Ю.Козловский, Б.И.Селезнев MEASURING THE MINIMUM NOISE FACTOR OF pHEMT TRANSISTORS IN CENTIMETER BAND
E.Iu.Kozlovskii, B.LSeleznev
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Boris.Seleznev@novsu.ru
Рассматриваются проблемы измерения коэффициента шума малошумящего pHEMT транзистора. Предложена методика определения минимального коэффициента шума. В качестве объекта измерений предлагается использовать четырехполюсник, в состав которого входят кристалл транзистора и цепи комплексного согласования на входе и выходе транзистора — модуль согласованного транзистора. Использование цепей согласования позволяет разрешить проблемы, обусловленные высоким КСВНвх активного элемента и устойчивостью четырехполюсника. Полученные результаты свидетельствуют о возможности исключения паразитных потерь, возникающих при измерении и получении уточненных значений коэффициента шума.
Ключевые слова: pHEMT, транзистор, коэффициент шума, четырехполюсник, согласование транзистора, методика измерений
The problems of measuring of the noise factor of low-noise pHEMT transistors are considered. A method for determining the minimum noise factor is proposed. The object of measurement is supposed to be the two-port circuit, which is composed of transistor chip and matching input and output circuits. The use of matching circuits allows one to overcome the problems caused by high VSWR of an active element and the stability factor of the two-port circuit. The results indicate the possibility of excluding parasitic losses and obtaining an improved value of noise factor.
Keywords: pHEMT, transistor, noise factor, two-port circuit, transistor matching, measurement technique
Введение
Гетероэпитаксиальные транзисторы в настоящее время занимают лидирующее место при разработке усилительных схем СВЧ диапазона. Обладая крайне низким коэффициентом шума и высоким коэффициентом усиления, такие приборы позволяют повысить чувствительность (избирательность, дальность обнаружения) СВЧ приемных модулей средств вооружения и военной техники.
Среди возможных исполнений гетероэпитак-сиальных транзисторов наибольшее распространение получили транзисторы с высокой подвижностью электронов, изготовленные на псевдоморфных гете-роэпитаксиальных структурах (pHEMT). Это стало возможным благодаря развитию молекулярно-лучевой технологии роста, позволяющей выращивать высококачественные гетероструктуры, используемые в производстве СВЧ полевых транзисторов с барьером Шоттки [1, 2].
Анализ зарубежных источников показывает, что технология pHEMT с номинальной длиной затвора 0,25 мкм является наиболее распространенной при изготовлении малошумящих полевых транзисторов в диапазоне частот до 40 ГГц (транзисторы ATF-36077 фирмы Hewlett Packard, MGF4319G — Mitsubishi Semiconductor, FHX13LG — Fujitsu, PH25 — United Monolithic Semiconductors). При этом в диапазоне частот (0,5^12) ГГц достигаемый минимальный коэффициент шума не превышает 0,5 дБ, а максимальный коэффициент усиления составляет величину не менее (12^13) дБ.
Особенности измерения шумовых сигналов и используемые методы детально рассмотрены в работе [3]. При малом коэффициенте шума и высоком коэффициенте усиления pHEMT транзисторов возникают объективные проблемы, оказывающие существенное влияние на точность и достоверность проводимых измерений СВЧ параметров. Решение этих проблем позволит повысить достоверность получаемых результатов измерений, которые можно будет использовать при разработке малошумящих усилителей и оптимизации конструкции и технологии изготовления транзисторов с целью дальнейшего улучшения их СВЧ параметров.
Анализ проблем измерения коэффициента шума дискретного транзистора
Измерение минимального коэффициента шума (Кш min) транзистора, смонтированного в металлоке-рамический кристаллодержатель, проводится по схеме, представленной на рис. 1.
Х5М-18
G1 // Т1 ХТ Т2 L2
G2
Рис.1. Схема измерения коэффициента шума дискретного транзистора: G1 — генератор шума; G2 — блок режимов; L1, L2 — адаптеры питания; т2 — трансформаторы согласующие; ХТ — контактное устройство; \5M-18 — измеритель коэффициента шума
С использованием трансформатора Т2 обеспечивается настройка на достижение максимального коэффициента передачи, при этом входным трансформатором Т1 добиваются минимального коэффициента шума.
При этом возникают следующие проблемы, наиболее сильно проявляющиеся при измерении коэффициента шума менее 1 дБ и высоком коэффициенте усиления:
— наличие во входном тракте нескольких переходных соединений G1 — L1, L1 — Т1, Т1 — ХТ приводит к потерям, величина которых может быть на уровне или превышать величину коэффициента шума при прохождении СВЧ сигнала;
— потери в СВЧ трансформаторах (Т1 и Т2) существенным образом зависят от величины погружения при согласовании и их точный учет требует существенных временных затрат при проведении измерений;
— величина КСВН входа (КСВНвх) транзистора (при измерении в тракте 50 Ом) много больше 1, что приводит к существенному отражению от входа, образованию стоячих волн и, в конечном счете, увеличению потерь. При согласовании на минимум коэффициента шума КСВНвх уменьшается, но остается на уровне 3-4 единиц;
— коэффициент устойчивости транзистора в диапазоне частот до 20 ГГц меньше 1, что говорит о повышенной склонности транзистора к возбуждению;
— высокий коэффициент усиления транзистора при объективно существующих паразитных обратных связях в транзисторной структуре усугубляет вероятность низкочастотного возбуждения транзистора, что значительно искажает результаты измерений, а в отдельных случаях даже исключает возможность их проведения без специальных средств подавления паразитной генерации.
Принимая во внимание все перечисленные трудности при проведении измерений дискретного транзистора, предлагается проводить измерения коэффициента шума не одиночного транзистора, а четырехполюсника, в состав которого входят исследуемый активный элемент (кристалл транзистора) и цепи комплексного согласования на входе и выходе транзистора. В дальнейшем такой четырехполюсник будем называть модулем согласованного транзистора. Использование цепей согласования позволяет разрешить проблемы, обусловленные высоким КСВНвх активного элемента и устойчивостью четырехполюсника.
Соответственно к цепям согласования предъявляется ряд требований:
— цепи согласования трансформируют входное и выходное сопротивление транзистора в волновое сопротивление 50 Ом;
— входная цепь согласования должна обеспечивать минимальный КСВН по входу. Величина КСВНвх < 2 является вполне достаточной для проведения корректных измерений;
— выходная цепь согласования должна обеспечивать максимальный коэффициент передачи четырехполюсника;
— проектируемый согласованный транзистор должен быть абсолютно устойчив, как минимум, в рабочей точке (К > 1) и, по возможности, во всей исследуемой полосе частот. Это необходимо, поскольку обладая устойчивостью в точке измерения, согласованный транзистор может возбуждаться на сторонних частотах, что также вносит негативный вклад в конечный результат измерений;
— с целью исключения дополнительных источников шума в виде резисторов обратной связи (минимизация Кш) и обеспечения абсолютной устойчивости (К >1) в качестве согласующего элемента, уменьшающего КСВНвх, предлагается использовать индуктивность в цепи истока;
— следует предусмотреть подстройку индуктивности в цепях согласования. Это необходимо, чтобы иметь возможность варьировать комплексное сопротивление на входе и выходе транзистора и соответственно проводить измерения при различном согласовании.
Выполнение приведенных выше требований позволяет получить модуль согласованного транзистора, на котором можно проводить стабильные и воспроизводимые измерения малого коэффициента шума.
Модуль согласованного транзистора и методика определения Кш „¡„
Методика определения Кш тт для малошу-мящего pHEMT транзистора может быть представлена в виде последовательности из нескольких шагов:
— проведение измерений S-параметров исследуемого транзистора в интересующем нас диапазоне частот;
— построение нелинейной модели (TOM 2). Выбор модели обусловлен хорошим согласованием расчетных данных с результатами измерений для pHEMT. Построение модели осуществляется с использованием САПР Microwave Office [4,5]. При этом неопределенными остаются только параметры модели, отвечающие за шумовые характеристики транзистора. Следует отметить, что указанные параметры модели не влияют на вольтамперную характеристику транзистора и его S-параметры;
— проектирование модуля согласованного транзистора на основе восстановленной модели TOM 2 и требований, предъявляемых к цепям согласования;
— проведение измерений Кш модуля согласованного транзистора в интересующем нас диапазоне частот. Измеряемый коэффициент шума не является минимальным, но при этом известна величина комплексного сопротивления по входу и выходу транзистора (цепи согласования), что может быть использовано при нахождении минимального коэффициента шума расчетным способом;
— определение шумовых параметров модели TOM 2 путем установления соответствия расчетных данных результатам измерения;
— экстракция параметров модели TOM 2 из модели согласованного транзистора и расчет минимального коэффициента шума транзистора.
С целью исключения влияния элементов L1, T1 измерительного тракта (см. рис.1), являющихся одним из источников ошибки при измерении Кш, в разработанном модуле согласованного транзистора подача электрического режима (выбор рабочей точки) осуществляется по схеме автосмещения (рис.2).
, Ьп
LI
С1
L2
Ru /
—с'
ВЫЛ
/
/ =Г02
Рис.2. Электрическая схема задания режима по постоянному току. 1 — адаптер питания и внешний источник пита-
ния Eп
Цепи согласования рассчитаны для обеспечения минимального КСВНвх на частоте f = 8 ГГц. Расчетные параметры модуля согласованного транзистора представлены на рис.3,4.
Рис.3. Коэффициент устойчивости К модуля согласованного транзистора
Рис.5. Модуль согласованного транзистора
Измерение коэффициента шума модуля согласованного транзистора проводится по схеме, представленной на рис.6.
Рис.4. КСВНвх/вых (VSWR(1)/VSWR(2)) модуля согласованного транзистора
Из рис.3,4 видно, что абсолютная устойчивость обеспечивается в полосе частот (6,3^21) ГГц, при этом оптимальная величина КСВНвх < 2 обеспечивается в полосе частот (6,5^8,9) ГГц.
Конструктивно модуль согласованного транзистора представляет собой поликоровую плату с пассивными цепями согласования, на которую смонтирован кристалл транзистора. Плата помещается в поликоровый кристаллодержатель с микропо-лосковыми выводами. Индуктивность L2 (рис.2) реализована в виде четвертьволнового отрезка мик-рополосковой линии. Конденсатор С2 — внешний чип, смонтированный на кристаллодержатель. В качестве переменного резистора Ru используется магазин сопротивлений, позволяющий управлять режимом работы транзистора (напряжение изи). Подача электрического режима в цепи стока (напряжение иси) осуществляется через внешний адаптер питания L1 — С1 (рис.2). Элементы согласования и подстройки на входе и выходе транзистора реализованы в виде микрополосковых элементов на поликоровой плате.
Конструктивное исполнение модуля согласованного транзистора представлено на рис.5.
Рис.6. Схема измерения коэффициента шума модуля согласованного транзистора. G1 — генератор шума; G2 — блок режимов; Ь2 — адаптер питания; ХТ — контактное устройство; Х5М-18 — измеритель коэффициента шума
Экспериментальные результаты
На рис.7 представлены экспериментальные данные коэффициента шума № (в виде точек) и расчетная зависимость Module_match (ОТ) с учетом оптимизации шумовых параметров модели ТОМ 2.
NF
1.2 1
0.4
0.2
— DB(NF()) Modulejnatch ^DB(|S(1,1)|) NF
-¿г- DB(NF Moduli :Min()) }_match
-Л-Ж-Л-Д—
i—А—Дг- -А—А—1 —А—А—А—■&-
7.8 7.85
7.95 8 8.05 8.1 8.15 8.2 Frequency (GHz)
Рис.7. Коэффициент шума модуля согласованного транзистора
На рис.7 также представлена расчетная зависимость минимального коэффициента шума дискретного транзистора (ОТшш). Расчетный минимальный коэффициент шума на частоте f = 8 ГГц составляет 0,57 дБ. Измерения по схеме на рис.1 дают величину коэффициента шума на уровне
(1,0*1,1) дБ.
Заключение
На основании проведенных исследований предложена методика определения минимального коэффициента шума малошумящего рНЕМТ транзистора. В качестве объекта измерений предлагается использовать четырехполюсник, в состав которого входят исследуемый активный элемент (кристалл транзистора) и цепи комплексного согласования на входе и выходе транзистора — модуль согласованного транзистора. Использование цепей согласования позволяет разрешить проблемы, обусловленные высоким КСВНвх активного элемента и устойчивостью четырехполюсника.
Полученные результаты свидетельствуют о возможности исключения паразитных потерь, возникающих при измерении и получении уточненных значений коэффициента шума. Предложенная методика может быть использована при построении шумовой модели рНЕМТ транзистора.
1. Козловский Э.Ю., Осипов А.М., Селезнев Б.И. СВЧ МИС МШУ на основе наногетероструктур GaAs pHEMT // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2013. №1,2. С.134-137.
2. Козловский Э.Ю., Селезнев Б.И., Дмитриев В.А., Штейнгарт А.П. Малошумящие СВЧ полевые транзисторы на арсениде галлия для систем связи // Системы и
средства связи, телевидения и радиовещания. 2011. №1,2. С.80-85.
3. Алмазов-Долженко К.И. Коэффициент шума и его измерение на СВЧ. М.: Научный мир, 2000. 240 с.
4. Мокеров В.Г., Бабак Л.И., Федоров Ю.В., Черкашин М.В. и др. Разработка комплекта монолитных малошумящих усилителей X-диапазона на основе 0,15 мкм GaAs pHEMT технологии // Доклады ТУСУР. 2010. №2(22). Ч.1. С.105-117.
5. Козловский Э.Ю., Селезнев Б.И. Моделирование СВЧ малошумящего pHEMT транзистора с применением САПР Microwave Office // Вестник Новгородского государственного университета. Сер.: Техн. науки. 2012. №68. С.41-45.
References
1. Kozlovskii E.Iu., Osipov A.M., Seleznev B.I. SVCh MIS MShU na osnove nanogeterostruktur GaAs pHEMT [MMIC based on nanoheterostructures of GaAs pHEMT]. Sistemy i sredstva sviazi, televideniia i radioveshchaniia, 2013, no. 1, 2, pp. 134-137.
2. Kozlovskii E.Iu., Seleznev B.I., Dmitriev V.A., Shteingart A.P. Maloshumiashchie SVCh polevye tranzistory na arsenide galliia dlia sistem sviazi [Low noise microwave field transistors on GaAs for communication systems]. Sistemy i sredstva sviazi, televideniia i radioveshchaniia, 2011, no. 1, 2, pp. 80-85.
3. Almazov-Dolzhenko K.I. Koeffitsient shuma i ego izmerenie na SVCh [Noise factor and its measuring on microwave frequencies]. Moscow, "Nauchnyi mir" Publ., 2000. 240 p.
4. Mokerov V.G., Babak L.I., Fedorov Iu.V., Cherkashin M.V. et al. Razrabotka komplekta monolitnykh maloshumiash-chikh usilitelei X-diapazona na osnove 0,15 mkm GaAs pHEMT tekhnologii [Development of a set of X-band MMIC low-noise amplifiers based on 0.15 ^m GaAs pHEMT technology]. Doklady TUSUR - Proceedings of TUSUR, 2010, no. 2(22), part 1, pp. 105-117.
5. Kozlovskii E.Iu., Seleznev B.I. Modelirovanie SVCh maloshumiashchego pHEMT tranzistora s primeneniem SAPR Microwave Office [The modeling of RF low-noise pHEMT transistor with the use of CAD Microwave Office]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2012, no. 68, pp. 41-45.
