CC BY
1404
УДК 621.382.323
МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ МАЛОШУМЯЩЕГО pHEMT ТРАНЗИСТОРА С ПРИМЕНЕНИЕМ САПР MICROWAVE OFFICE
Э.Ю.Козловский, Б.И.Селезнев
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Boris.Seleznev@novsu.ru
Рассматриваются особенности построения линейной и нелинейной моделей СВЧ малошумящего pHEMT транзистора с применением САПР Microwave Office 2010. Апробация моделей выполнена на примере построения однокаскадного малошумящего усилителя, по результатам измерения шумовых характеристик которого выполнено уточнение исходных моделей в части шумовых параметров, что делает возможным применение такого подхода при исследовании СВЧ транзисторов различного частотного диапазона и построении библиотеки активных элементов в рамках существующей технологии изготовления.
Ключевые слова: pHEMT, Microwave Office, коэффициент шума, коэффициент усиления, малошумящий усилитель
The paper describes the design features of linear and nonlinear models of RF low-noise pHEMT transistor with the use of CAD Microwave Office 2010. Testing of models is made by the design example of single-stage LNA. The results of noise measurements are used to refine the initial models of the noise parameters, which makes it possible to use this approach in the research of RF transistors of different frequency range and design the libraries of active elements in the current manufacturing technology.
Keywords: pHEMT, Microwave Office, noise ratio, gain ratio, low-noise amplifier
Проектирование СВЧ устройств в настоящее время практически невозможно представить без применения систем автоматизированного проектирования. В области СВЧ диапазона широкое распространение среди разработчиков нашел программный продукт Microwave Office (MWO) от компании AWR [1]. Обладая широким набором инструментов моделирования и обширной библиотекой моделей элементов СВЧ цепей, MWO позволяет проводить сложные вычисления в широком диапазоне частот и обеспечивает их высокую производительность и точность. Адекватность результатов расчета реальным характеристикам СВЧ устройства, разработанного и изготовленного в соответствии с проектом, как правило, определяется адекватностью моделей реальных элементов, используемых при моделировании [2].
В настоящей работе рассмотрены особенности построения линейной (малосигнальной) FETN и нелинейной TOM 2 моделей СВЧ малошумящего pHEMT транзистора с применением САПР MWO.
Модель FETN верна только для одного (заданного) режима работы по постоянному току (иси, /с), при этом предполагается, что изменения переменного тока и напряжения в окрестности рабочей точки сравнительно небольшие. В основе данной модели лежит шумовая модель Поспешальски [3], использующая малосигнальные элементы эквивалентной схемы для расчета шумовых характеристик транзистора. Модель FETN широко используется разработчиками при проектировании малошумящих усилителей (МШУ).
В модели ТОМ 2 [4] параметры элементов эквивалентной схемы являются функциями напряжения и температуры. Особое внимание в модели уделено описанию температурных эффектов, связанных с разогревом транзистора вследствие протекания больших токов. Данная модель используется для описания работы транзистора в режимах, существенно отличных от линейного, например в составе усилителя мощности или переключателя.
В рамках данной работы в качестве объекта исследования выступал малошумящий рНЕМТ транзистор СВЧ диапазона с шириной затвора Ж = 160 мкм, изготовленный по технологии, описанной в [5,6].
Алгоритм построения моделей транзистора включает в себя несколько этапов.
1. Измерение выходных 1с = Лиси, изи) и барьерных Із = Л изи), Із = /из-си) характеристик транзистора с использованием измерителя параметров полевых транзисторов «Прилив-2», а также измерение барьерных емкостей Сзи и Сзс с использованием измерителя иммитанса Е7-12. Результаты измерений используются для получения начального приближения по значениям отдельных параметров моделей транзистора.
2. Измерение ^-параметров кристалла транзистора в различных режимах работы (иси, Іс) в частотном диапазоне 1-40 ГГц. Для проведения измерений ^-параметров с применением СВЧ зондов кристаллы транзисторов монтируются на поликоровую плату со сформированным рисунком металлизации компланарной волновой линии по входу и выходу транзистора (рис.1).
Рис.1. Плата для измерения 5-параметров (а) и кристалл транзистора, смонтированный на плату для проведения зондо-вых измерений (б)
3. Экстракция параметров моделей с применением САПР MWO.
Выходная характеристика Ic = /(иси, изи) в модели TOM 2 описывается с помощью выражения
і,=--------^----------, (і)
d 1+delta vds ■ Ids0 где Id — ток стока; Vds — напряжение сток-исток; DELTA — параметр, описывающий вольтамперную характеристику на участке насыщения; Ids0 — параметр, описываемый выражением
/,п = BETA-VQ -
ds0 g
ALPHA -V
ds
л/і+ (ALPHA-Vds)2 ’
(2)
где BETA — параметр, описывающий крутизну вольт-амперной характеристики; Q — параметр, описывающий неоднородность крутизны вольтамперной характеристики (степенной показатель); ALPHA — параметр, описывающий изгиб при переходе с линейного участка выходной характеристики на участок насыщения; Vg — параметр, описываемый выражением
V = Q-V f - ln
g st
exp
fV - VT 0+GAMMA-V. л
gs ds
+і
(3)
Q'Vst
где Vgs — напряжение затвор-исток; VT0 — напряжение отсечки; GAMMA — параметр, описывающий вольтамперную характеристику на участке насыщения (совместно с параметром DELTA); Vst — параметр, описываемый выражением
7 т
Vst = (Ш + ND -Vds )- — , q
(4)
где NG, ND — параметры, описывающие зависимость тока стока от напряжения на затворе и стоке соответственно в диапазоне напряжений затвора, близких к напряжению отсечки; к — постоянная Больцмана; T— температура; q — элементарный электрический заряд.
Барьерная характеристика 1з = f изи) в модели TOM 2 описывается с помощью выражения
■ i q 'Vgs 1 ,л
exp _ _ -1
/ = /S
gs
v N - - - T j
(5)
где — ток затвор-исток; /8 — тепловой ток насыщения диодного перехода затвор-исток; N — коэффициент неидеальности диодного перехода затвор-исток.
При экстракции параметров следует учитывать что выражения (1)-(5) описывают характеристики 1с = /(иси, изи) и Із = /(изи) для активной части структуры транзистора. В реальном транзисторе всегда присутствуют сопротивления RG, RS, RD, RIS, RID — сопротивления затвора, истока, стока, затвор-исток и затвор-сток, вследствие чего напряжения иси и изи, прикладываемые к выводам транзистора, представляют собой сумму падений напряжений на активной части структуры Vds и Vgs и этих сопротивлениях.
По результатам измерений характеристик Іс = /(иси, изи) и Із = /(изи) также выполняется экстракция параметров VBR — пробивное напряжение затвора и VBI — высота барьера Шоттки соответственно.
Рассмотренные выше параметры практически не требуют уточнения при последующей оптимизации по S-параметрам и могут быть приняты за константы.
Оставшиеся параметры модели TOM 2 можно разделить на три группы. Первую группу составляют параметры, описывающие температурные эффекты (в рамках данной работы рассматривались режимы работы транзистора (Цси, Іс), при которых эффектом саморазогрева транзистора можно пренебречь). Вторую группу — параметры, не оказывающие влияния на характеристики Іс = /(иси, изи), Із = /(изи) и Із = /(из-си) или оказывающие минимальное влияние, но существенным образом влияющие на S-параметры и, соответственно, экстракция которых выполняется по этим измерениям: TAU — задержка в изменении тока стока при изменении напряжения на затворе; CGS, CGD, CDS — емкости затвор-исток, затвор-сток и сток-исток; VDELTA, VMAX — параметры, описывающие характер изменения барьерных емкостей CGS и CGD от приложенного к затвору напряжения изи; RDB, CBS — сопротивление и емкость, описывающие частотную зависимость выходной проводимости; LS, LD, LG — индуктивности истока, стока и затвора. Третью группу составляют параметры, описывающие шумовые свойства транзистора: P — параметр, описывающий шум, вносимый сопротивлением канала транзистора; Tg — шумовая температура затвора; KF, AF, FFE — параметры, описывающие низкочастотный фликер-шум.
и™, в а)
изи(з-си), В б)
Рис.2. Измеренные (Experiment) и смоделированные (TOM 2) выходные (а) и барьерные (б) характеристики pHEMT транзистора
Для модели FETN значения параметров RG, RS, RD, RGS, TA U, LS, LD, LG взяты равными значениям аналогичных параметров модели TOM 2.
Оставшиеся параметры модели FETN, по аналогии с TOM 2, также можно разделить на две группы. Первую группу составляют параметры, экстракция которых выполняется из S-параметров для каждого режима измерений (иси, /с): GM, CGS, CDG, CDS, RDS, CPG, CPD. Вторая группа параметров используется для описания шумовых характеристик транзистора в соответствии с моделью Поспешаль-ски: TG1, TG2, FN — параметры для описания частотной зависимости шумовой температуры TG сопротивления RGS (TG = f(TG1, TG2, FN)) и TD — шумовая температура стока.
В соответствии с моделью Поспешальски минимальная шумовая температура описывается выражением:
_2 ш• CGS TD• TG• RGS + (TD• RGS• ro-CGS42 | min _ ^ GM V RDS + 1 RDS • GM 1 +
+ 2-
RDS
где ш _ 2п • f ; f — частота.
TD • RGS (№• CGS
GM
В соответствии с эквивалентной схемой транзистора, используемой в модели FETN, наряду с источниками шума, связанными с сопротивлениями RGS и RDS, существенный вклад в общий шум вносят также источники шума, связанные с сопротивлениями RS и RG.
Экстракция параметров моделей TOM 2 и FETN из измерений S-параметров выполняется с применением автоматических средств оптимизации, встроенных в программный пакет MWO.
На рис.2а представлена типовая измеренная выходная характеристика транзистора 1с = /(иси, изи) и смоделированная с применением полученной после экстракции параметров модели TOM 2. На рис.2б представлены типовые барьерные характеристики Із = /(изи) при неподключенном выводе стока и Із = /(из-си) при соединенных между собой стоке и истоке (параллельно включенные сопротивления RS и RD).
На рис.3 представлены результаты сравнения измеренных S-параметров и рассчитанных с применением моделей TOM 2 и FETN. На рис.За представлены результаты сравнения измеренных S-параметров (S11, S12, S22) и рассчитанных по модели TOM 2 для режима иси = 2 В, Іс = 16 мА, что
2
Sil, S22, S12
а)
б)
Рис.3. Частотные зависимости малосигнальных Б-параметров pHEMT транзистора в диапазоне частот 1-40 ГГц
соответствует оптимальному режиму работы транзистора с точки зрения получения минимального коэффициента шума при высоком коэффициенте усиления по мощности.
На рис.Зб представлены результаты моделирования параметра S21 в сравнении с результатами измерения для различных режимов работы транзистора. Данный параметр является наиболее чувствительным к изменению режима работы транзистора по постоянному току. Выбраны следующие режимы работы: иси = 2 В, 1с = 8 мА — режим использования транзистора для получения минимального коэффициента шума; иси = 2 В, 1с = 24 мА — режим использования транзистора для получения максимального коэффициента усиления по мощности. Полученное совпадение результатов измерений и моделирования свидетельствует о корректности восстановленных значений параметров модели TOM 2 и возможности ее использования при необходимости задания различных режимов работы транзистора по постоянному току.
Для экстракции шумовых параметров моделей, а также для апробации полученных результатов на базе полученных моделей TOM 2 и FETN был разработан однокаскадный МШУ для диапазона частот 8-10 ГГц. МШУ реализован по квазимоно-литной технологии: цепи согласования и питания реализованы на арсенидгаллиевой подложке, на которую монтируется активный элемент — кристалл pHEMT транзистора. Для удобства измерений вся конструкция монтируется в технологический корпус с микрополосковыми выводами с волновым сопротивлением Z = 50 Ом. Усилитель реализован по схеме с автосмещением и использует однополярное питание. Для обеспечения возможности управления режимом работы транзистора по постоянному току используется внешний переменный резистор, подключаемый к одному из выводов технологического корпуса. Расчет топологии выполнен с использованием модуля EMSight, что обеспечивает максимальную точность при описании элементов с распределенными параметрами. На рис.4 представлен внешний вид МШУ.
Рис.4. Внешний вид МШУ в технологическом корпусе
Измерение коэффициента усиления по мощности (821) и коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВНвх) выполнялось на измерителе коэффициента передачи и отражения Р2М-18. Коэффициент шума измерялся на измерителе коэффициента шума Х5М-18.
Экстракция шумовых параметров Р и Т^ модели ТОМ 2 и TG и TD модели FETN выполнялась по результатам измерения коэффициента шума усилителя. Параметры моделей, описывающие фликер-шум, не рассматривались, поскольку их вклад существенен только для частот менее 100 МГц.
На рис.5 представлено сравнение измеренных параметров и полученных в результате моделирования.
На основе экстракции шумовых параметров были получены следующие значения: для нелинейной модели ТОМ 2 — Р = 0,36; Т% = 25°С; для линейной модели FETN — TG1 = 25°С; TD = 2600°С.
Влияние параметров ^, AF, FFE модели ТОМ 2 и TG2, FN модели FETN в исследованном диапазоне частот несущественно и их значения оставлены по умолчанию.
Таким образом, по результатам измерения коэффициента шума МШУ была выполнена экстракция
8 9 10
F, ГГц
а)
Кш, Кш min
3 2.5 2
0.5 0
8 9 10
F, ГГц
б)
Рис.5. Измеренные (Experiment) и смоделированные СВЧ характеристики МШУ
шумовых параметров моделей рНЕМТ транзистора. В соответствии с шумовой моделью Поспешальски полученные значения шумовых параметров модели остаются справедливыми и для более широкого частотного диапазона, и поскольку модель FETN получена по значениям ^-параметров в частотном диапазоне 1-40 ГГц, то и расчет коэффициента шума в соответствии с этой моделью может выполняться для частот до 40 ГГц.
Проведенные исследования указывают на возможность использования предложенного алгоритма для экстракции параметров линейной и нелинейной моделей рНЕМТ транзистора. Апробация моделей на примере построения МШУ СВЧ диапазона показывает их достаточно высокую точность при описании СВЧ характеристик усилителя.
Предложенный алгоритм может быть использован при построении моделей СВЧ малошумящего рНЕМТ транзистора, которые в свою очередь могут быть использованы при разработке СВЧ устройств широкого частотного диапазона.
1. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office / Под ред. В.Д.Разевига. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 496 с.: ил.
2. 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.
3. Pospieszalski Marian W. Modeling of Noise Parameters of MESFET's and MODFET's and Their Frequency and
Temperature Dependence // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 1989. V.37. No.9. Р.1340-1350.
4. McCant A.J., McCormack G.D., and Smith D.H. An Improved GaAs FET Model for SPICE // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. 1990. V.MTT-38. Р.822.
5. Козловский Э.Ю., Селезнев Б.И., Иванов Н.Н. Особенности изготовления и оптимизации конструкции малошу-мящего pHEMT транзистора СВЧ диапазона // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2010. №60. С.69-73.
6. Козловский Э.Ю., Селезнев Б.И., Дмитриев В.А., Штейн-гарт А.П. Малошумящие СВЧ полевые транзисторы на арсениде галлия для систем связи // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2011. Вып.1,2. С.80-85.
Bibliography (Transliterated)
1. Razevig V.D., Potapov Ju.V., Kurushin A.A. Proektirovanie SVCh ustrojjstv s pomoshh'ju Microwave Office / Pod red. V.D.Razeviga. M.: SOLON-Press, 2003. 496 s.: il.
2. Mokerov V.G., Babak L.I., Fedorov Ju.V., Cherkashin M.V. i dr. Razrabotka komplekta monolitnykh maloshumjashhikh usilitelejj X-diapazona na osnove 0,15 mkm GaAs pHEMT tekhnologii // Doklady TUSUR. 2010. №2(22). Ch.1. S.105-117.
3. Pospieszalski Marian W. Modeling of Noise Parameters of MESFET's and MODFET's and Their Frequency and Temperature Dependence // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 1989. V.37. No.9. R.1340-1350.
4. McCant A.J., McCormack G.D., and Smith D.H. An Improved GaAs FET Model for SPICE // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. 1990. V.MTT-38. R.822.
5. Kozlovskijj Eh.Ju., Seleznev B.I., Ivanov N.N. Osobennosti izgotovlenija i optimizacii konstrukcii maloshumjashhego pHEMT tranzistora SVCh diapazona // Vestnik NovGU. Ser.: Tekhn. nauki. 2010. №60. S.69-73.
6. Kozlovskijj Eh.Ju., Seleznev B.I., Dmitriev V.A., Shtejjngart A.P. Maloshumjashhie SVCh polevye tranzistory na arsenide gallija dlja sistem svjazi // Sistemy i sredstva svjazi, televidenija i radioveshhanija. 2011. Vyp.1,2. S.80-85.
