Научная статья на тему 'Разработка комплекта монолитных малошумящих усилителей Х-диапазона на основе 0,15 мкм GaAs pHEMT-технологии'

Разработка комплекта монолитных малошумящих усилителей Х-диапазона на основе 0,15 мкм GaAs pHEMT-технологии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
630
220
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СВЧ монолитныe интегральные схемы / технология / PHEMT / малошумящий усилитель / Х-диапазон / автоматизированный синтез / визуальное проектирование

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Мокеров Владимир Григорьевич, Бабак Леонид Иванович, Федоров Юрий Владимирович, Черкашин Михаил Владимирович, Шеерман Федор Иванович

Приводятся результаты разработки на базе отечественной 0,15 мкм GaAs pHEMT-технологии первого в России комплекта монолитных интегральных схем (МИС) малошумящих усилителей (МШУ) Х-диапазона с параметрами на уровне зарубежных аналогов. Применение методик и программ визуального проектирования СВЧ-усилителей позволило получить высокие качественные характеристики, упростить и ускорить разработку МИС МШУ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Мокеров Владимир Григорьевич, Бабак Леонид Иванович, Федоров Юрий Владимирович, Черкашин Михаил Владимирович, Шеерман Федор Иванович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Разработка комплекта монолитных малошумящих усилителей Х-диапазона на основе 0,15 мкм GaAs pHEMT-технологии»

УДК 621.375.4

В.Г. Мокеров, Л.И. Бабак, Ю.В. Федоров, М.В. Черкашин, Ф.И. Шеерман, А.С. Бугаев, А.Л. Кузнецов, Д.Л. Гнатюк

Разработка комплекта монолитных малошумящих усилителей Х-диапазона на основе 0,15 мкм GaAs pHEMT-технологии

Приводятся результаты разработки на базе отечественной 0,15 мкм GaAs pHEMT-технологии первого в России комплекта монолитных интегральных схем (МИС) мало-шумящих усилителей (МШУ) Х-диапазона с параметрами на уровне зарубежных аналогов. Применение методик и программ визуального проектирования СВЧ-усилителей позволило получить высокие качественные характеристики, упростить и ускорить разработку МИС МШУ.

Ключевые слова: СВЧ монолитные интегральные схемы, технология, pHEMT, малошу-мящий усилитель, Х-диапазон, автоматизированный синтез, визуальное проектирование.

Введение

Применение в радиоэлектронных системах (РЭС) СВЧ диапазона монолитных интегральных схем (МИС) позволяет значительно улучшить их основные технические параметры, кардинально снизить массу и габариты аппаратуры, повысить надежность функционирования, уменьшить трудоемкость и себестоимость изготовления радиоэлектронных изделий в серийном производстве. На основе СВЧ МИС создаются современные средства космической, спутниковой, персональной и сотовой связи, телекоммуникационные системы, гигабитовые цифровые системы передачи данных, глобальные информационные и навигационные системы, системы цифрового телевидения и т.д. Важным элементом таких систем являются, в частности, монолитные малошумящие усилители (МШУ).

В настоящее время в США, Японии, ряде стран Европы и Южной Азии разработаны и внедрены в промышленное производство перспективные гетероструктурные технологии изготовления СВЧ МИС. Производится широкий спектр различных СВЧ МИС (включая МШУ), что позволяет использовать их в РЭС самого разнообразного назначения.

В России также создаются подобные технологии. Примером могут служить опытные (0,1...0,15) мкм HEMT (pHEMT, mHEMT) технологии на основе материалов GaAs, InP и GaN, разработанные в Институте СВЧ полупроводниковой электроники РАН (ИСВЧПЭ РАН, г. Москва) [1]. Они позволяют изготавливать СВЧ МИС с характеристиками, соответствующими зарубежным образцам.

В статье приводятся результаты разработки на базе 0,15 мкм GaAs pHEMT-техно-логии ИСВЧПЭ РАН первого в России комплекта МИС МШУ Х-диапазона с параметрами на уровне лучших зарубежных аналогов. Применение методик и программ визуального проектирования СВЧ-усилителей [2-6] позволило получить высокие качественные характеристики, упростить и ускорить разработку монолитных МШУ.

Технология изготовления GaAs pHEMT-транзисторов и МИС

Описание pHEMT гетероструктуры. СВЧ МИС изготавливались на основе pHEMT-гетероструктур, выращенных на полуизолирующих подложках GaAs ориентации (100) методом молекулярно-лучевой эпитаксии в ИСВЧПЭ РАН [1]. Для получения большой подвижности электронов в канале при не слишком высокой концентрации электронов, необходимой для малошумящих СВЧ-приборов, была проведена оптимизация pHEMT ге-тероструктуры с односторонним 5-Si легированием. Измерение электрофизических параметров гетероструктуры методом эффекта Холла дало следующие значения подвижности и концентрации 2D-электронного газа: де=7400 см2/В-с, ns=1,4x1012 см-2 при T = 300 K и де=25500 см2/В-с, ras=1,87x1012 см-2 при T = 77 K.

Технология изготовления GaAs pHEMT МИС. Технология изготовления МИС [1] включала последовательность хорошо отработанных технологических операций, включающих изоляцию приборов травлением мезаструктуры, изготовление омических контактов Ni/Ge/Au, двухступенчатую электронно-лучевую литографию «грибообразных» затворов (Lg = 0,15 мкм) с использованием трехслойной системы резистов PMMA/PMGI/PMMA, селективное жидкостное травление подзатворной канавки, металлизацию затворов напылением Ti/Pd/Au, нанесение диэлектрика Si3N для конденсаторов и пассивации затворов, а также последующую металлизацию межсоединений с использованием технологии изготовления «воздушных мостов» и гальванического осаждения Au.

Характеристики транзисторов. Базовыми при разработке МИС являлись предварительно отработанные с высокой степенью воспроизводимости рНЕМТ транзисторы с топологией затворов 2x75 и 4x75 мкм (рис. 1, а). На рис. 1, б показаны вольтамперные характеристики рНЕМТ-транзистора. Их особенностью является то, что благодаря соответствующей оптимизации гетероструктуры транзистор может функционировать при нулевом напряжении на затворе (Vgs = 0 В) с сохранением высоких параметров. При проектировании усилителей это позволяет отказаться от реализации специальных цепей смещения и упростить конструкцию МИС. Типовые параметры транзисторов следующие: начальный ток стока 100-150 мА/мм, крутизна характеристики (при Vgs = 0 В) - 400 мСм/мм, напряжение отсечки - 0,4 В.

0,0

Г

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Т

3.0 3.5 4.0 4.5 Напряжение, В

а б

Рис. 1. Топология pHEMT-транзистора c шириной затвора 2x75 мкм (а) и его типовые

вольтамперные характеристики (б)

На рис. 2 приведены частотные зависимости коэффициента усиления по току H21 и ^-функции (Masons' Gain) для pHEMT транзисторов c шириной затворов 2x75 и 4x75 мкм. Предельная частота усиления по току составляет ft=50 ГГц, по мощности - fmax=100 ГГц. Транзистор 4x75 мкм на частоте 12 ГГц имеет минимальный коэффициент шума

т

4,0

Fm

0,5 дБ и соответствующий коэффициент усиления по мощности Ga

10 дБ

(Vgs=0 В, Vds=2,5 В).

■а

■I

о

5

50

40

30

20

10

0

— Ш21\ Wg = 2x75 мкм — 1^2! Wg 4x75мкм — Masons Gain Wg= 2x75 мкм — Masons" Gain Wg =4x75 мкм

ОД 1,0 10 100

Частота, ГГц

Рис. 2. Частотные зависимости коэффициента усиления по току H21 и ^-функции рНЕМТ транзистора

Проектирование монолитных малошумящих усилителей Х-диапазона

Используемые инструментальные средства проектирования и модели транзисторов. Разработка многокаскадных МШУ СВЧ-диапазона является трудоемкой процедурой. Ускорить проектирование и улучшить качественные показатели усилителей позволяет комплекс программ Microwave Look [2-4], разработанный в Лаборатории интеллектуальных компьютерных систем (ЛИКС) Томского университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР). В нем реализованы процедуры «визуального» проектирования транзисторных СВЧ-усилителей, а также пассивных корректирующих (КЦ) и согласующих (СЦ) цепей [5-7]. Процесс проектирования усилителей с КЦ и СЦ основан на общем декомпозиционном подходе к синтезу активных СВЧ-цепей [8] и содержит два основных этапа: 1) построение на заданных частотах областей допустимых значений (ОДЗ) иммитанса или коэффициента отражения КЦ (СЦ), исходя из требований к характеристикам усилителя; 2) синтез (определение структуры и значений элементов) КЦ (СЦ) по полученным ОДЗ.

Комплекс Microwave Look включает в себя программы AMP, REGION и LOCUS. Программы AMP и REGION [2, 3] предназначены для получения ОДЗ иммитанса или коэффициента отражения КЦ и СЦ. Программа LOCUS [2, 4, 5] позволяет осуществить интерактивный синтез двухполюсных КЦ и реактивных СЦ умеренной сложности (от 2 до 6 элементов) по ОДЗ.

При проектировании МШУ использовались S-параметры транзисторов, измеренные в режиме Vgs = 0 В, Vds = 3,0 В на пластине с помощью векторного анализатора цепей Е-8361А фирмы Agilent в диапазоне частот 0,01-67 ГГц. На их основе были разработаны малосигнальная эквивалентная схема, шумовая модель Поспешальского и нелинейная модель ТОМ2 в среде Microwave Office для моделирования вольт-амперных характеристик.

Рис. 3. Структурная схема двухкаскадного МШУ Х-диапазона

Визуальное проектирование двухкаскадного МШУ. К двухкаскадному усилителю предъявлялись следующие требования в диапазоне частот 8...12 ГГц: коэффициент усиления G не менее 20 дБ; неравномерность коэффициента усиления в полосе рабочих частот ДG не более ±1,0 дБ; коэффициент шума F не более 1,0 дБ; модули входного и выходного коэффициентов отражения т1 = | | < 0,33 (-9,63 дБ), т2 = | s22 | < 0,33 (-9,63 дБ); безусловная устойчивость во всем частотном диапазоне ^ >1).

Выбранная структурная схема двухкаскадного МШУ приведена на рис. 3. В усилителе используются входная (СЦ1), межкаскадная (СЦ2) и выходная (СЦ3) реактивные согласующие цепи. Во втором каскаде для выравнивания АЧХ и обеспечения устойчивости включена цепь параллельной обратной связи - ОС ^р2). Кроме того, в обоих каскадах присутствует последовательная ОС и Ls2) для дополнительного повышения устойчивости и улучшения согласования каскадов по входу.

Следует отметить, что при проектировании СВЧ усилительных каскадов с реактивными СЦ на входе и выходе могут быть построены два типа допустимых областей на комплексных плоскостях коэффициентов отражения генератора Гд или нагрузки [7]. Первый тип - так называемые полные ОДЗ, они строятся на начальном шаге проектирования, когда ни одна из СЦ еще не синтезирована. Полная ОДЗ содержит все допустимые значения (точки) Гд или Г^ удовлетворяющие комплексу требований к характеристикам усилительного каскада на рассматриваемой частоте (усиление, шум, согласование на входе и выходе, устойчивость). После того как одна из СЦ спроектирована, строятся так называемые «односторонне-нагруженные» ОДЗ. Они содержит все допустимые значения

Г,д или Г,, удовлетворяющие комплексу требований к характеристикам каскада при условии, что уже спроектированная СЦ подключена к транзистору.

Первый этап проектирования двухкаскадного усилителя заключался в синтезе входной цепи СЦ1. С помощью программы REGION были получены полные ОДЗ на плоскости Г^ в частотных точках 8, 10 и 12 ГГц (рис. 4). При этом задавались широкие допуски на коэффициент усиления первого каскада (7 дБ < G(1) < 11 дБ), предъявлялись также требования к его коэффициенту шума (F(1) < 0,6 дБ), коэффициентам отражения на входе (m1(1) < 0,3) и выходе (m2(1) < 0,5). Величина индуктивности Ls1 = 0,28 нГн выбиралась в интерактивном режиме таким образом, чтобы при заданных ограничениях ОДЗ существовали и были максимально широкими. Кроме того, получены круговые области устойчивости на частотах вне рабочего диапазона, удовлетворяющие условиям m1(1) <1, m2(1) <1 (изображены на рис. 4 штриховыми линиями). По найденным ОДЗ и областям устойчивости с помощью программы LOCUS синтезирована входная цепь СЦ1, точки годографа Г^ (f) которой на заданных частотах попадают в соответствующие ОДЗ (см. рис. 4).

Моделирование показало, что в рабочем диапазоне частот первый каскад с подключенной входной цепью СЦ1 при условии комплексно-сопряженного согласования на выходе транзистора Т1 имеет спад АЧХ около 5 дБ/октава (рис. 5).

На следующем этапе было выполнено проектирование второго каскада с цепью параллельной ОС (рис. 6, а). С помощью программы AMP были получены ОДЗ на плоскости импеданса цепи ОС Zp2. В этом случае для компенсации спада коэффициента усиления первого каскада был задан подъем АЧХ второго каскада порядка 5 дБ/октава: 10 дБ < G(2) < 12 дБ для частоты 8 ГГц, 11 дБ < G(2) < 13 дБ для частоты 10 ГГц и 12 дБ < G(2) < 14 дБ для частоты 12 ГГц. Остальные требования к характеристикам каскада следующие: F(2) < 2,5 дБ, k(2) > 1. Заметим, что программа AMP позволяет определять ОДЗ импеданса цепи ОС при включенных на входе и выходе каскада идеальных СЦ, которые могут быть настроены, например, на максимум коэффициента усиления, минимум коэффициента шума и т.д. [3]. В рассматриваемом случае построение ОДЗ выполнялось при условии комплексно-сопряженного согласования на входе и выходе каскада.

G, m1, m2, дБ

F, дБ

10

-10

-20

-30

0

щ\ G

/ 5 / !\ F

Тгж 1 \ Л 1...............'S............. "4 m\ __Ar —

i m-2 \\ 4 ......"S"................ N V s .................. ••

.....

2,0

1,5

1,0

0,5

0

4

8

12

16

f, ГГц

Рис. 5. Результаты моделирования первого каскада усилителя с подключенной входной цепью СЦ1

Z

P2

1,0 пФ 250 Q

HI-ЛЛЛ

Im Z, Q

100 ■

гЛПР^Ц

1,2 нГн 0,15 нГн

Gm

т

0 ■

-100

-200

-300

0 100 200 300 400 Re Z, Q

а б

Рис. 6. Схема второго каскада (а); ОДЗ, области устойчивости и годограф цепи параллельной

ОС на плоскости импеданса ZP2 (б)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Величины индуктивностей Lg2, L^2 и Ls2 выбирались из условий существования и максимальной ширины ОДЗ [6]. Вид полученных ОДЗ представлен на рис. 6, б, по ним с помощью программы LOCUS была синтезирована цепь ОС в виде последовательной RC-цепочки.

Далее выполнялся расчет межкаскадной цепи СЦ2 [9]. С этой целью при использовании программы REGION на плоскости Г® получены односторонне нагруженные ОДЗ для первого каскада с подключенной входной цепью СЦ1 (рис. 7, требования взяты такими же, как и при построении ОДЗ на плоскости Г®). Построены также полные ОДЗ на

плоскости Г^2-1 для второго каскада с подключенной цепью параллельной ОС (рис. 8), здесь задавались следующие требования к его характеристикам: 10 дБ < G(2) < 12 дБ для частоты 8 ГГц, 11 дБ < G(2)< 13 дБ для частоты 10 ГГц и 12 дБ < G(2) < 14 дБ для частоты 12 ГГц; в полосе частот 8...12 ГГц m1(2)<0,33, m2(2)< 0,33 и F(2) < 2,5 дБ; вне этой полосы m^2) < 1, m2(2) < 1.

0

А 1ш Г£(1)

ч^ Г£(1) (/)

\ \ \

Л

40 \

1 оит V' '

Т

1 у Re Г,(1)

I_

0,5 нГн 0,74 пФ Т2

Z;„(2)

Рис. 7. Односторонне нагруженные ОДЗ, области устойчивости и годограф

межкаскадной цепи СЦ2 на плоскости Г

(1)

Для обеспечения требуемых характеристик обоих каскадов годографы входного Г(1) ( f ) и выходного Г^2-1 ( f ) коэффициентов отражения реактивной межкаскадной цепи

должны одновременно попасть в полученные ОДЗ на плоскостях Г(1) и Г^2-1 [9].

А1ш Г5(2)

1 Т Re Г^

Рис. 8. Полные ОДЗ и годограф межкаскадной цепи СЦ2 на плоскости Г^2"1

Для облегчения решения последней задачи построен годограф коэффициента отражения, комплексно-сопряженного выходному коэффициенту отражения rOUT транзистора Т1 (см. рис. 7). Видно, что точки годографа Г^т располагаются внутри соответствующих ОДЗ на плоскости Г® . На частотах 8...12 ГГц годограф Г0Ц*т аппроксимируется простой RL-цепочкой (Rout = 47 Ом, Lout = 0,25 нГн). Это позволяет выполнить синтез межкаскадной СЦ с помощью программы LOCUS по ОДЗ, построенным на плоскости Г^2-1 (см. рис. 8). При синтезе сопротивление источника сигнала для межкаскадной СЦ полагается равным Rout = 47 Ом, структура цепи выбирается с учетом «поглощения» элемента Lout. На рис. 8 показан годограф Г^2-1 ( f ) полученной цепи.

Для проверки правильности расчета на рис. 7 и 8 также приведены годографы входного и выходного коэффициентов отражения синтезированной межкаскадной цепи СЦ2 при нагружении ее на реальные нагрузки - импедансы транзисторов Т1 и Т2. Как видно, годографы Г® ( f ) и Г^2-1 ( f ) попадают в требуемые ОДЗ.

А Im rL(2)

Re Гг(2)

Рис. 9. Односторонне нагруженные ОДЗ и годограф выходной цепи СЦ3 на плоскости

Проектирование МШУ на идеальных элементах завершается синтезом выходной цепи СЦ3. С этой целью для уже спроектированного активного блока, представляющего собой соединение СЦ1-Т1-СЦ2-Т2, при использовании программы REGION построены односторонне нагруженные ОДЗ на плоскости Г^2-1 по комплексу требований к МШУ в целом в полосе частот 8...12 ГГц: 20 дБ < G < 22 дБ; m1 < 0,33; m2 < 0,33; F < 1,0 дБ; вне этой полосы mi < 1, m2 < 1. Вид полученных ОДЗ и годограф Г^2) (f) синтезированной выходной

цепи показаны на рис. 9.

Результирующая схема двухкаскадного МШУ показана на рис. 10. В соответствии с результатами моделирования (рис. 11), усилитель на идеальных элементах в полосе частот 8.12 ГГц обеспечивает следующие характеристики: коэффициент усиления G = 20,5+0,5 дБ; коэффициент шума F < 0,7 дБ; коэффициенты отражения на входе | Sn | < -17 дБ и выходе | S22 |< -9,0 дБ; коэффициент устойчивости k > 1 во всем диапазоне частот.

1,7 пФ

[>—I

50 О

0,83 нГн

1,0 ПФ 250 О

1 I—ллл

0,5 нГн 0,74 пФ

н \

0,27 пФ

Ь-о

50 О

5 нГн

Рис. 10. Схема двухкаскадного МШУ на идеальных элементах

G, | вп|, Ы, дБ

30

20

10

0

-10

-20 -30

F, дБ; k

\ ■ k ...........1.......... • F G

уС ■ "-А............... «Г ^^^ *

ч- ••-•«*""".'.......ч

А— —

\ \ ...... I, | ... \ Ы ....... >*Ч*'

..... Р111 ^ ......\..... / ^

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

-0,5

0

4

8

12

16

/, ГГц

Рис. 11. Результаты моделирования двухкаскадного МШУ на идеальных элементах

Последний этап проектирования заключался в разработке топологии монолитного МШУ (рис. 12) и окончательной параметрической оптимизации всей схемы. Питание МШУ осуществляется от однополярного источника напряжения +3 В. В усилителе применены очень простые цепи смещения (заземление затворов транзисторов Т1 и Т2 соответственно через шунтирующую индуктивность и резистор). Оба транзистора работают при нулевом напряжении на затворе (Vgs = 0 В), это позволило исключить обычно используемые для реализации смещения резисторы или транзисторы в двухполюсном включении в цепи истоков Т1 и Т2. Такое решение, помимо упрощения схемы, дает возможность уменьшить коэффициент шума.

Рис. 12. Топология двухкаскадного монолитного МШУ (размер чипа 2,4x1,4 мм)

F, дБ

20

10

0

-10

-20 -30

-1

-2 -3

0 4 8 12 16 /, ГГц

Рис. 13. Результаты моделирования двухкаскадного монолитного МШУ

Моделирование с использованием разработанной в ЛИКС ТУСУРа библиотеки моделей монолитных элементов для технологии ИСВЧПЭ РАН [10] показало, что двухкас-кадный МШУ в полосе частот 8...12 ГГц имеет следующие параметры: коэффициент усиления О = 22±0,5 дБ; коэффициент шума ¥ < 1,1 дБ; коэффициенты отражения на входе | s11 | < -6 дБ и выходе | s22 | < -8 дБ; коэффициент устойчивости k > 1 во всем диапазоне частот (рис. 13).

Проектирование трехкаскадного МШУ. Аналогичным образом был разработан трех-каскадный монолитный МШУ, его топология изображена на рис. 14. В соответствии с результатами моделирования (рис. 15), трехкаскадный усилитель в полосе частот 6.12 ГГц имеет следующие параметры: О = 30±0,5 дБ; ¥ < 1,4 дБ (¥ < 1,1 дБ в диапазоне 8-12 ГГц); | s11 | < -13 дБ; | s22 |< -16 дБ; k > 1 во всем диапазоне частот.

Рис. 14. Топология трехкаскадного монолитного МШУ (размер чипа 2,4x1,4 мм)

¥,дБ

2

1

0

Рис. 15. Результаты моделирования трехкаскадного монолитного МШУ

Экспериментальное исследование усилителей

Разработанные двух- и трехкаскадный монолитные МШУ были изготовлены в ИСВЧПЭ РАН на основе 0,15 мкм GaAs рНЕМТ-технологии. Фотографии МИС усилителей приведены соответственно на рис. 16, а и 17, а.

О, |вп|, |в22|, дБ

30

20

10

-10

-20

-30

12

б

¥, дБ

1,5

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1,0

0,5

16 ^ ГГц

Рис. 16. Фотография (а) и характеристики (б) МИС двухкаскадного МШУ (моделирование - пунктирная линия, измерения - сплошная линия)

а

0

0

0

4

8

До разделения на кристаллы /Э-параметры усилителей измерялись непосредственно на пластине с использованием зондовой установки. Типичные характеристики двух- и трех-каскадных МШУ приведены на рис. 16, б и 17, б. Всего было исследовано более 150 из 250 изготовленных кристаллов. Годными считались усилители, коэффициент усиления которых не отличался от средней величины более чем на 2 дБ. В результате исследований установлено, что параметры усилителей имеют очень небольшой разброс по пластине, а выход годных кристаллов равен 70%, что свидетельствует о высоком качестве разработанной технологии.

После разделения на кристаллы годные МИС монтировались в СВЧ-модуль и производились дополнительные измерения характеристик усиления и шума. Типичные частотные зависимости коэффициента шума двух- и трехкаскадных МШУ при стендовых измерениях показаны на рис. 16, б и 17, б.

0 4 8 12 16 /,ГГц

б

Рис. 17. Фотография (а) и характеристики (б) МИС трехкаскадного МШУ (моделирование - пунктирная линия, измерения - сплошная линия)

Сводные характеристики разработанных МИС двух- и трехкаскадного МШУ X-диапа-зона приведены в табл. 1 и 2, соответственно. Здесь же для сравнения даны параметры лучших зарубежных МИС МШУ, серийно выпускаемых по аналогичным технологиям фирмами Triquint и Hittite (США). Как видно, по основному комплексу параметров, включая коэффициент шума, созданные нами МИС МШУ не уступают лучшим зарубежным разработкам. Следует отметить, что при некотором ухудшении характеристик усилители могут использоваться в полосе частот от 3 до 14 ГГц.

Таблица 1

Сводные характеристики МИС двухкаскадного МШУ Х-диапазона в сравнении с зарубежными аналогами

Тип 2-каскадный LA.0812.1.11 (ИСВЧПЭ) TGA2511 (Triquint, США) HMC 564 (Hittite, США)

Технология 0,15 мкм pHEMT 0,15 мкм pHEMT 0,15 мкм pHEMT

А/ 6.. .12 ГГц 6.14 ГГц 7.13,5 ГГц

G 20±1 дБ 18±1 дБ 17±1 дБ

NF <1,4 дБ (А/=8...12 ГГц) <1,5 дБ (А/=8...12 ГГц) <1,8 дБ (А/=8...12 ГГц)

m1, m2 -7,5 дБ; -10 дБ -15 дБ; -13 дБ -10 дБ; -12 дБ;

Va, Id 3 В; 62 мА 5В; 80 мА 3 В; 51 мА

Pout 1дБ 10 дБм 4 дБм 12 дБм

Размеры 2,4x1,4 мм 2,05x1,2 мм 1,96x0,98 мм

Таблица 2

Сводные характеристики МИС трехкаскадного МШУ Х-диапазона в сравнении с зарубежными аналогами

Тип 3-каскадный LA.0812.2.11 (ИСВЧПЭ) TGA2512 (Tiquint, США) HMC 565 (Hittite, США)

Технология 0,15 мкм pHEMT 0,15 мкм pHEMT 0,15 мкм pHEMT

Af 6.12 ГГц 6.14 ГГц 6.18 ГГц

G 28±1 дБ 25±1 дБ 22,5±2 дБ

NF <1,6 дБ (Af=8...12 ГГц) <1,6 дБ (Af=8.12 ГГц) <2,3 дБ (Af=8.12 ГГц)

m m 1 , 2 -10 дБ; -12 дБ -13 дБ; -15 дБ -10 дБ; -11 дБ

Vd, Id 5 В, 92 мА 5В, 90 мА 3 В, 53 мА

Pout1дБ 10 дБм 6 дБм 11 дБм

Размеры 2,4x1,4 мм 2,05x1,2 мм 2,53x0,98 мм

5. Заключение

В результате выполненных работ впервые в России разработан комплект 0,15 мкм GaAs pHEMT МИС МШУ Х-диапазона с параметрами на уровне лучших зарубежных аналогов. Применение процедур и программ визуального проектирования позволило выполнить разработку монолитных МШУ в короткие сроки, при этом весь процесс разработки, изготовления и измерений занял один производственный цикл. Высокий выход годных кристаллов МШУ с пластины позволяет судить о промышленной пригодности разработанного технологического маршрута.

Работа выполнялась при поддержке РФФИ в рамках проектов 08-07-99034-р_офи и 09-07-99020-р_офи, а также в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы» по направлениям «Нанотехнологии и на-номатериалы», «Создание электронной компонентной базы», «Микроэлектроника» (мероприятия 1.1, 1.2.1, 1.2.2, 1.3.1 и 1.3.2, государственные контракты П1418, П1492, П2188, П669, П499, 16.740.11.0092 и 14.740.11.0135).

Литература

1. Федоров Ю.В. Монолитные интегральные схемы малошумящих усилителей КВЧ диапазона на GaAs рНЕМТ-гетероструктурах / Ю.В. Федоров, Д.Л. Гнатюк, Г.Б. Галиев и др. // Доклады ТУСУРа. - 2010. - № 2(22), ч. 1. - С. 49-55.

2. Бабак Л.И. Комплекс программ «визуального» проектирования транзисторных СВЧ усилителей и пассивных цепей / Л.И. Бабак, М.В. Черкашин, Д.А. Зайцев и др. // Сб. докл. междунар. науч.-практ. конф. «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития». - Томск: В-Спектр, - 2007.- Ч. 2. - С. 113-115.

3. Бабак Л.И. Программы «визуального» проектирования транзисторных СВЧ усилителей / Л.И. Бабак, М.В. Черкашин, А.Ю. Поляков и др. // Сб. трудов 15-й Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - Севастополь: Вебер, 2005. - Т. 2. - С. 425-426.

4. Бабак Л.И. Программа «визуального» проектирования корректирующих и согласующих цепей СВЧ-устройств / Л.И. Бабак, М.В. Черкашин, Д.А. Зайцев // Сб. трудов 15-й Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». -Севастополь: Вебер, 2005. - Т. 2. - С. 423-424.

5. Babak L.I. Interactive «visual» design of matching and compensation networks for microwave active circuits / L.I. Babak, M.V. Cherkashin. // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig. Phoenix, AZ, May. - 2001. - Vol. 3. - P. 2095-2098.

6. Design of 2-10 GHz feedback MMIC LNA using «visual» technique / M.V. Cherkashin, D. Eyllier, L.I. Babak et al. // Proc. 35th Europ. Microwave Conf. - Paris, France, 2005. - P. 1153-1156.

7. Babak L.I. A new «region» technique for designing microwave transistor low-noise amplifiers with lossless equalizers / L.I. Babak, M.V. Cherkashin, A.Yu. Polyakov. // Proc. 38th Europ. Microwave Conf. Proc. - Amsterdam, Netherlands, 2008. - P. 1402-1405.

8. Babak L.I. Decomposition synthesis approach to design of RF and microwave active circuits // IEEE MTT-S Int. Microwave Sym. Dig. Phoenix, AZ, May. - 2001. - Vol. 2. -P. 1167-1170.

9. Бабак Л.И. Методика проектирования многокаскадных транзисторных усилителей с реактивными согласующими цепями / Л.И. Бабак, Ф.И. Шеерман // Сб. докл. между-нар. науч.-практ. конф. «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития». - Томск: В-Спектр, 2007. - Ч. 2. - С. 160-164.

10. Сальников А.С. Разработка библиотеки элементов для проектирования отечественных гетероструктурных СВЧ МИС в среде Microwave Office / А.С. Сальников, А.А. Коколов, Ф.И. Шеерман // Доклады ТУСУРа. - 2010. - № 2(22), ч. 1. - С. 157-160.

Мокеров Владимир Григорьевич

Директор Института СВЧ полупроводниковой электроники РАН (ИСВЧПЭ РАН), г. Москва Тел.: + 7 (499) 123-44-64

Бабак Леонид Иванович

Канд. техн. наук, зам. директора НОЦ «Нанотехнологии»,

доцент каф. компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) ТУСУРа

Тел.: +7 (382-2) 41-47-17

Эл. почта: leonid.babak@rambler.ru

Федоров Юрий Владимирович

Зав. лаб. ИСВЧПЭ РАН, г. Москва

Тел.: +7 (499) 123-74-66

Эл. почта: yuraf2002@mail.ru

Черкашин Михаил Владимирович

Канд. техн. наук, доцент каф. КСУП, декан факультета вычислительных систем ТУСУРа

Тел.: +7-906-948-86-48

Эл. почта: mik_cher@mail.ru

Шеерман Федор Иванович

Канд. техн. наук, доцент каф. КСУП ТУСУРа

Тел.: +7-913-805-94-54

Эл. почта: sfi1493@ms.tusur.ru

Бугаев Александр Сергеевич Зав. лаб. ИСВЧПЭ РАН, г. Москва Тел.: +7 (495) 123-74-66

Кузнецов Алексей Львович

Ст.научн.сотрудник ИСВЧПЭ РАН, г. Москва Тел.: +7 (495) 123-74-66

Гнатюк Дмитрий Леонидович

Мл. научн. сотрудник ИСВЧПЭ РАН, г. Москва Тел.: +7(495)123-62-22

Mokerov V.G., Babak L.I., Fedorov Yu.V., Cherkashin M.V., Sheyerman F.I., Bugaev A.S., Kuznetsov A.L., Gnatyuk D.L.

Development of a set of X-band MMIC low-noise amplifiers based on 0.15 ym GaAs pHEMT technology

The results of designing and fabrication of the Russian first set of 2- and 3-stage X-band MMIC low-noise amplifiers (LNAs),which are based on 0,15 ym pHEMT GaAs technology,are presented. The amplifiers cover the frequency range from 6 GHz to 12 GHz with the gain of 20±1 (28±1) dB and have the noise figure of 1.4 (1.6) dB,respectively. The use of interactive "visual" techniques and corresponding software tools allows to implement the fast and high-performance LNA design.

Keywords: MMIC, technology, pHEMT, low-noise amplifier, X-band, automatized synthesis, visual design.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.