CC BY
58
УДК: 621.375.4
И.М. Добуш, А.А. Коколов, К.С. Дмитриенко, А.С. Сальников, Ю.В. Федоров, М.В. Черкашин, Ф.И. Шеерман, Л.И. Бабак
Копланарный монолитный усилитель Ka-диапазона на основе отечественной GaAs наногетероструктурной технологии
Описывается разработка однокаскадного копланарного монолитного усилителя Ка-диа-пазона на основе отечественной наногетероструктурной 0,15 мкм GaAs mHEMT-техно-логии. Рассматриваются основные этапы разработки, включая построение нелинейной модели транзистора, создание библиотеки моделей элементов, проектирование усилителя с помощью интерактивных «визуальных» методов.
Ключевые слова: копланарный усилитель, СВЧ монолитные интегральные схемы, модели элементов.
Введение. Одной из главных тенденций развития современной радиоэлектронной и телекоммуникационной аппаратуры является расширение полосы частот и освоение все более высокочастотных диапазонов для повышения емкости каналов, скорости и качества передачи данных. В связи с этим актуальной задачей в настоящее время является разработка монолитных интегральных схем (МИС) миллиметрового диапазона волн.
К основным потребителям СВЧ МИС, функциональных модулей, радиоэлектронных устройств и систем в миллиметровом диапазоне волн относятся: высокоскоростные (1 Гбит/с и выше) системы передачи данных; системы космической, спутниковой и мобильной связи; радиолокационные системы, включая радары для авиации и флота, автомобильные радары и т.д.; системы наблюдения и радиоуправления и др. Ключевым составляющим элементом этих систем, во многом определяющим дальность действия и другие качественные характеристики, являются СВЧ монолитные усилители.
Разработка монолитных усилителей, особенно в миллиметровом диапазоне волн, связана с решением сложных задач технологии изготовления и проектирования МИС. Успешное проектирование МИС возможно лишь при наличии точных библиотек моделей элементов МИС и современных программных средств автоматизированного проектирования СВЧ-устройств.
В статье рассматривается разработка первого в России монолитного копланарного усилителя (КУ) Ка-диапазона на базе 0,15 мкм GaAs mHEMT-технологии, созданной в Институте СВЧ полупроводниковой электроники РАН (ИСВЧПЭ РАН, г. Москва). Разработка КУ включала решение следующих задач:
1) Построение и исследование моделей активных и пассивных монолитных элементов на основе зондовых измерений, создание библиотеки элементов МИС для используемой технологии.
2) Разработка однокаскадного КУ с использованием методов и программ «визуального» проектирования [1].
3) Экспериментальное исследование КУ (на этом этапе осуществляется апробация библиотеки моделей элементов МИС).
Построение нелинейной модели транзистора. Для проектирования КУ необходимо иметь нелинейную модель СВЧ-транзистора, которая должна не только точно описывать в заданном диапазоне режимов по постоянному току и частот зависимости коэффициента усиления и выходной мощности от уровня сигнала, но и правильно отражать нелинейные эффекты при многочастотных воздействиях, разрешать оптимизацию нагрузок транзистора по гармоникам и др.
В процессе разработки КУ использовался базовый mHEMT-транзистор с шириной затвора 4x60 мкм (рис. 1), для которого была построена нелинейная табличная модель по методике [2].
На рис. 2, а представлена малосигнальная эквивалентная схема mHEMT-транзистора, а на рис. 2, б - его нелинейная зарядовая модель, параметры которой определяются из значений элементов малосигнальной эквивалентной схемы. В нелинейной модели зависимые источники тока Igs (Vgs,VdS) и Ids(Vgs,Vds) отражают нелинейные свойства элементов
Rgs , Иа. и gm схемы на рис. 2, а, а источники заряда Qgs(Vgs,Vds) и QdS(УgsУds) - нелинейные свойства элементов Cgs, Cgd, Са. и постоянной времени т.
Рис. 1. Фотография mHEMT-транзистора с шириной затвора 4x60 мкм
G Lg
Rd Ld D G Lg Rg
Igs
Qgs
О <> <> О
Qds
Rd Ld D
Ids
ds=gm -Vgsi-expf-jojT)
Rs
Ls
S
а б
Рис. 2. Модели тНЕМТ-транзистора: малосигнальная эквивалентная схема (а) и нелинейная зарядовая модель (б)
При построении модели mHEMT-транзистора использовались следующие наборы измеренных параметров:
1) Параметры рассеяния в диапазоне частот от 3 до 60 ГГц при напряжениях Vgs=—1 В, Vds = 2 В и Vgs = —1,4 В, Vds = 3 В для экстракции внешних параметров Lg, Ls, Ld,Rg,Rs,Rd эквивалентной схемы.
2) Параметры рассеяния на частоте 10 ГГц в диапазоне напряжений Vgs = —1,6...0 В (шаг AVgs = 0,2 В), Vds = 0; 0,5; 1,5; 2,5; 3,5 В для определения внутренних элементов малосигнальной эквивалентной схемы Rgs,gm, Rds, Cgs, Cgd, Cds и постоянной времени т в указанном множестве рабочих точек.
3) Выходные вольт-амперные характеристики (ВАХ) (рис. 3).
Для определения внешних и внутренних элементов малосигнальной эквивалентной схемы использовалась модифицированная методика [3]. Значения внутренних элементов малосигнальной эквивалентной схемы Rgs, gm, Rds, Cgs, Cgd, Cds и постоянной времени т были графически экстраполированы до Vds = 5,5 В для того,
150
100
50
0
Vgs = 0b,
" '-1.6 В" -2 В
10
Vds, В
Рис. 3. Выходные ВАХ 0,15 мкм GaAs mHEMT-транзистора с шириной затвора 4x60 мкм
чтобы расширить диапазон рабочих напряжений модели. На рис. 4 приведены зависимости элементов эквивалентной схемы тНЕМТ-транзистора от напряжений смещения.
Рис. 4. Зависимости нелинейных параметров малосигнальной модели тНЕМТ-транзистора
от напряжений смещения
Нелинейные параметры малосигнальной эквивалентной схемы были аппроксимированы двумерными функциями напряжений смещения Vgs и Vds. Затем, используя выражения для зарядовых зависимостей, были определены параметры нелинейной зарядовой модели транзистора (рис. 5).
Рис. 5. Зависимости нелинейных параметров малосигнальной модели mHEMT-транзистора
от напряжений смещения
Нелинейная табличная модель 0,15 мкм GaAs mHEMT-транзистора с шириной затвора 4x60 мкм была интегрирована в среду Microwave Office [4].
На рис. 6 представлены результаты сравнения измеренных параметров рассеяния и полученной нелинейной модели при различных смещениях в диапазоне частот до 60 ГГц.
Таким образом, полученная нелинейная табличная модель 0,15 мкм GaAs mHEMT транзистора с шириной затвора 6x40 мкм достаточно хорошо описывает его характеристики на постоянном и переменном токе при различных условиях работы и может использоваться вплоть до частоты 60 ГГц.
Исследование пассивных монолитных элементов и построение их моделей в диапазоне частот до 50 ГГц подробно рассмотрено в [5].
Создание библиотеки элементов МИС. После того как построены модели элементов, для удобства разработчика МИС они объединяются в библиотеки элементов. Такие библиотеки содержат электрические модели и топологические представления элементов МИС, а также некоторые дополнительные элементы. Топология каждого элемента представлена в виде параметризованной ячейки. Такой подход позволяет свести к минимуму усилия разработчика по построению топологии готовой интегральной схемы и ускорить проектирование. Топологию интегральной схемы можно экспортировать в файл формата GDS II для подготовки фотошаблонов (этот файл описывает слои МИС, каждый слой соответствует отдельному фотошаблону).
После построения моделей активных и пассивных элементов МИС была разработана библиотека для опытной 0,15 мкм mHEMT-технологии ИСВЧПЭ РАН [6], она интегрирована в коммерческую САПР Microwave Office (MWO). С целью повышения точности моделирования был реализован автоматизированный перевод топологии МИС в трехмерную структуру, это позволяет выполнить полный электромагнитный анализ топологии МИС с включенными активными и пассивными элементами.
в г
Рис. 6. Частотные зависимости малосигнальных параметров рассеяния: 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)
Рис. 7. Иллюстрация схемы проектирования МИС
Рассмотрим общую схему проектирования МИС СВЧ в САПР MWO с использованием библиотеки элементов. Вначале разработчик проектирует принципиальную электрическую схему СВЧ-устройства и проводит его моделирование с использованием заложенных в библиотеку моделей отдельных элементов. После достижения положительного результата он подготавливает топологию МИС в целом и проводит полный электромагнитный анализ, а затем дорабатывает схему и топологию МИС. Если результаты моделирования схемы удовлетворяют разработчика, он экспортирует схему в файл GDS II и передаёт файл для производства фотошаблонов. После изготовления МИС проводится ее тестирование. На рис. 7 приведена иллюстрация схемы проектирования МИС (на примере корректирующей RC-цепи в ко-планарном исполнении).
Разработка однокаскадного КУ. После создания библиотеки элементов МИС переходим к следующему этапу - разработке однокаскадного КУ.
По выходным ВАХ транзистора (см. рис. 3) была выбрана рабочая точка Vds=5 В, Vgs= -1,2 В, соответствующая линейному режиму работы. По выходным ВАХ, используя выражение (1), можно оценить максимальную выходную мощность, которую транзистор может отдать в нагрузку:
Pout -
(I
-1 ■ max -'mm
) • (U
- и ■
max ^mm
8
(1)
Принимаем, что 1тах - 1тт = 65 мА, ит^ - итах = 9 В. Подставляя эти значения в (1), получаем, что выходная мощность Р0^ = 73 мВт = 18,6 дБм.
На рис. 8 представлена структурная схема однокаскадного КУ. В усилителе используются входная (СЦ1) и выходная (СЦ2) реактивные согласующие цепи. Кроме того, на входе транзистора включена параллельная RC-цепь для выравнивания АЧХ и обеспечения устойчивости усилителя.
Рис. 8. Структурная схема однокаскадного КУ
На первом шаге проектирования однокаскадного КУ производится синтез выходной СЦ. При помощи load-pull моделирования в среде Microwave Office на нескольких частотах интересующего диапазона (30, 34, 36 ГГц) были получены области допустимых значений (ОДЗ) коэффициента отражения нагрузки транзистора, в пределах которых выходная мощность составляет не менее 17,5 дБм. По найденным областям с помощью программы «визуального» проектирования LOCUS [7] синтезирована выходная СЦ на идеальных элементах (рис. 9, а). Для достижения более лучших характеристик и удобства реализации выходная цепь была модифицирована в среде Microwave Office (рис. 9, б).
)
а б
Рис. 9. ОДЗ и годограф коэффициента отражения нагрузки выходной СЦ, синтезированной при помощи LOCUS (а) и модифицированной в MWO (б)
На втором шаге произведен расчет RC-цепи, обеспечивающей требуемое выравнивание АЧХ. Входная СЦ была синтезирована при помощи программы GENESYN, базирующейся на генетических алгоритмах [8]. Полученная схема КУ на идеальных элементах 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
Рис. 10. Принципиальная схема однокаскадного КУ на идеальных элементах
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 С
- 1 ; ....... V i i i" : / ^
| 1 ; % • * / if22'
* f
60
45
30
15
Ю 20 30 40
Частота, ГГц б
Рис. 11. Частотные характеристики однокаскадного КУ: моделирование (а) и измерения (б)
На заключительном шаге идеальные пассивные элементы в схеме однокаскадного КУ заменяются моделями монолитных элементов, выполненных на копланарных линиях, добавлены цепи питания и проведена окончательная параметрическая оптимизация усилителя в пакете MWO. Результаты моделирования малосигнальных параметров рассеяния, а также коэффициента усиления Pgain и выходной мощности Pout усилителя при напря-
жении сток-исток транзистора 5 В и входной мощности Рп = -1 дБм показаны на рис. 11, а.
Разработанная топология однокаскадного монолитного КУ на копланарных линиях показана на рис. 12 (размеры кристалла 0,9x1,8 мм). Частотные характеристики изготовленного КУ, измеренные с помощью зондовой станции непосредственно на пластине, приведены на рис. 11, б. Измеренная максимальная выходная мощность при сжатии 1 дБ составила Р = 1 дБ = 7 дБм. Отличие измеренной выходной мощности от предсказанного значения частично объясняется тем, что в связи с опасностью пробоя транзистора измерения проводились при меньшем напряжении на стоке (3,5 В). Ток, потребляемый усилителем, составляет 40 мА.
Рис. 12. Фотография кристалла однокаскадного КУ
Работа поддержана грантами в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (направления «Микроэлектроника», «Нанотехнологии» и «Электронная компонентная база», мероприятия 1.2.1, 1.2.2, 1.3.1 и 1.3.2).
Литература
1. Комплекс программ «визуального» проектирования транзисторных СВЧ-усилите-лей и пассивных цепей / Л.И. Бабак, М.В. Черкашин, Д.А. Зайцев и др. // Сборник докл. междунар. научн.-практ. конф. «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития». - Томск: В-Спектр, 2007. - Ч. 2. - С. 113-115.
2. Дмитриенко К.С. Построение нелинейной модели GaAs mHEMT транзистора / К.С. Дмитриенко, А.А. Коколов, Л.И. Бабак // Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием «Современные проблемы радиоэлектроники». - Красноярск: Изд-во СФУ, -2010.
3. Бабак Л.И. Программа синтеза согласующих цепей на основе генетического алгоритма / Л.И. Бабак, В.А. Вьюшков // Сборник трудов 16-й Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - М.: Вебер, - 2006. - Т. 1. -С. 209-210.
4. Сальников А.С. Разработка библиотеки элементов для отечественных GaAs технологии СВЧ МИС в системе AWR Microwave Office / А.С. Сальников, А.А. Коколов, Ф.И. Шеерман // Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием «Современные проблемы радиоэлектроники». - Красноярск: Изд-во СФУ, - 2010.
5. Добуш И.М. Моделирование и экспериментальное исследование пассивных элементов СВЧ МИС в копланарном исполнении / И.М. Добуш, А.А. Коколов // Матер. докл. Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР-2010». - Томск: В-Спектр, 2010. - Ч. 2. - С. 138-141.
6. Сальников А.С. Разработка библиотек элементов в среде Microwave Office для отечественных технологий изготовления СВЧ МИС / А.С. Сальников, А.А. Коколов, Ф.И. Шеерман // Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием «Современные проблемы радиоэлектроники». - Красноярск: Из-во СФУ, - 2010.
7. Шеерман Ф.И. LOCUS-MMIC - интегрированная среда «визуального» проектирования монолитных корректирующих и согласующих цепей / Ф.И. Шеерман, Л.И. Бабак, Д.А. Зайцев // Сборник докл. межд. научн.-практ. конф. «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития». - Томск: В-Спектр. 2007. - Ч. 2. -С. 154.
8. Дорофеев С.Ю. Организация универсальной программной системы для синтеза радиоэлектронных устройств на основе генетического алгоритма / С.Ю. Дорофеев, Л.И. Бабак // Доклады ТУСУРа. - 2007. - № 2 (16). - С. 151-156.
Добуш Игорь Мирославович
Аспирант каф. компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) ТУСУРа
Тел.: +7-923-402-92-86
Эл. почта: [email protected]
Коколов Андрей Александрович
Студент каф. радиотехнических систем (РТС) ТУСУРа
Тел.: +7-923-405-93-59
Эл. почта: [email protected]
Дмитриенко Константин Сергеевич
Инженер каф. КСУП ТУСУРа
Тел.: +7-903-913-81-03
Эл. почта: [email protected]
Сальников Андрей Сергеевич
Магистрант каф. физической электроники ТУСУРа
Тел.: +7-913-866-44-65
Эл. почта: [email protected]
Федоров Юрий Владимирович
Зав. лаб. Института СВЧ полупроводниковой электроники РАН (ИСВЧПЭ РАН), г. Москва Эл. почта: [email protected]
Черкашин Михаил Владимирович
Канд. техн. наук, доцент каф. КСУП, декан факультета вычислительных систем (ФВС) ТУСУРа
Тел.: +7-906-948-86-48
Эл. почта: [email protected]
Шеерман Федор Иванович
Канд. техн. наук, доцент каф. КСУП
Тел.: +7-913-805-94-54
Эл. почта: [email protected]
Бабак Леонид Иванович
Канд. техн. наук, доцент каф. КСУП
Тел.: +7-960-969-91-52
Эл. почта: [email protected]
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.
