CC BY
421
УДК 621.382.029.6
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ НА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ
А.М. Осипов, Е.А.Паневина
Институт электронных и информационных систем НовГУ, rey@mail.ru
Определены основные конструктивные решения по реализации сверхвысокочастотных переключателей на арсениде галлия. Получены практические результаты реализации сверхвысокочастотных переключателей с рабочим частотным диапазоном 0,01 * 20 ГГц.
Ключевые слова: твердотельный переключатель, транзистор с затвором Шоттки (ПТШ),
сверхвысокочастотный переключатель на ПТШ
The main design decisions for the super-high-frequency switches on the basis of gallium arsenide are determined. Practical results of the super-high-frequency switches with a working frequency range of 0.01 * 20 GHz are obtained.
Keywords: solid-state switch, the transistor with the gate Schottky (MESFET), super-high-frequency switch MESFET
Разработка и проектирование полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона с применением полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ) на основе арсенида галлия в настоящее время определилось как самостоятельное направление развития СВЧ техники. В настоящей работе рассмотрены вопросы проектирования и разработки управляющей схемы СВЧ переключателя на ПТШ на примере разрабатываемого предприятием ЗАО «НПП «Планета-Аргалл» изделия.
Основа построения переключателя
Использование электрически управляемых полупроводниковых СВЧ переключателей предопределяет возможность построения целого ряда современных СВЧ устройств, позволяющих решать различные коммутационные и логические задачи. СВЧ переключатели используются в импульсных модуляторах, переключателях различных типов, устройствах защиты и т. д.
При создании современных многоканальных СВЧ устройств необходимо решать задачи коммутации сигналов СВЧ между каналами. Для решения подобных задач требуются СВЧ переключатели, позволяющие коммутировать СВЧ сигналы так, чтобы не происходило ограничений по рабочим частотам, скорости переключения, мощности коммутируемого сигнала. Использование переключателей не должно приводить к росту потерь СВЧ сигнала в канале и ухудшению развязки между каналами. Для удовлетворения этих условий используются различные варианты схем переключателей [1]. В качестве одного из основных переключающих приборов используется полевой транзистор Шоттки (ПТШ) на арсениде галлия с нормально открытым каналом п-типа.
Принцип работы переключателя на ПТШ основан на управлении сопротивлением канала транзистора (сопротивление сток-исток) при изменении прикладываемого к затвору напряжения. Если на за-
твор подается отрицательное напряжение, превышающее напряжение отсечки (порядка -5 В), то область пространственного заряда под затвором перекрывает канал транзистора, и его сопротивление резко возрастает (канал закрывается). В случае, если на затвор транзистора подается нулевое напряжение, то сопротивление канала транзистора мало (канал находится в открытом состоянии).
Поскольку на СВЧ сопротивление сток-исток транзистора является комплексной величиной, то схему транзисторного ключа можно представить в эквивалентном виде, как параллельное соединение паразитной емкости и активного сопротивления (рис.1), где — сопротивление затвора ПТ, Vg —
управляющее напряжение на затворе. Так как в эквивалентную схему входит емкость, то при расчете параметров транзисторного ключа необходимо учитывать реактивное сопротивление ПТШ.
Рис.1. Эквивалентная схема транзисторного ключа на ПТШ
В качестве основного элемента в схемах переключателей используют однополюсный переключатель на два направления (8РБТ) [2]. Схема простейшего переключателя типа 8РБТ на ПТ приведена на рис.2. Радиочастотный вход схемы на рисунке обозначен как КРіп. Транзисторы ^1 и ¥Т2 используются в качестве коммутирующих элементов для выходов КРои1_1 и КРои_2. Напряжения VI и V2 являются управляющими.
Рис.2. Схема простейшего переключателя типа БРйТ на ПТ
Допустим, на затвор транзистора УТ1 подается напряжение V! = -5 В, а на затвор транзистора УТ2 подается напряжение V2 = 0 В. Поскольку напряжение V1 превышает напряжение отсечки транзистора, канал транзистора УТ1 будет иметь высокое сопротивление,
и через него сможет пройти только очень малая часть радиочастотного сигнала со входа КРіп, т.е. транзистор УТ1 и выход КРои_1 будут находиться в закрытом состоянии. В то же время канал транзистора 'УТ2 открыт, поэтому сигнал со входа КРіп пройдет через 'УТ2 практически без потерь и поступит на выход КРои_2.
В данном случае отношение мощности сигнала на выходе КРоШ_1 к мощности сигнала на входе КРіп будет определять коэффициент развязки каналов, а отношение мощности сигнала на выходе КРоШ_2 к мощности сигнала на входе КРіп — коэффициент потери (ослабления) сигнала.
Схема переключателя, показанная на рис.2, имеет малые потери и ограниченную развязку порядка 10 дБ на 10 ГГц, которая снижается с ростом частоты. Уменьшение развязки между каналами связано с тем, что с ростом частоты уменьшается реактивное сопротивление между стоком и истоком закрытого транзистора, обусловленное паразитной емкостью Cds.
Для улучшения развязки может использоваться способ параллельного включения шунтирующих ПТ, как показано на рис.3. Схема, приведенная на рис.2, дополнена двумя шунтирующими транзисторами: УТ3 в закрытом канале переключателя и 'УТ4 — в открытом. Транзисторы 'УТ2 и 'УТЗ управляются синфазно напряжением V2, а транзисторы '^1 и '^4 — напряжением V1. Таким образом, '^3 будет находиться в открытом состоянии, и та часть сигнала, которая прошла через закрытый транзистор VI'1, шунтируется на землю. В другом канале переключателя транзистор ¥Т4 будет находиться в закрытом состоянии и практически не повлияет на прохождение сигнала.
Рис.3. Схема переключателя с шунтирующими транзисторами
У приведенной схемы развязка на частоте 10 ГГц улучшена примерно на 10 дБ по сравнению со схемой простейшего переключателя, рассмотренного ранее, а вносимые потери остались практически без изменений.
Дополнительного улучшения развязки можно добиться с помощью каскадного включения схемы с шунтирующими транзисторами (рис.4). Понятно, что такое включение может увеличить развязку в два раза за счет использования двойного каскада закрытых и шунтирующих транзисторов. Однако при таком подходе потери сигнала в открытом канале также увеличиваются вдвое.
Рис.4. Схема двойного параллельно-шунтирующего переключателя
Для повышения рабочих частот переключателя, улучшения развязки и уменьшения потерь предлагается использовать схему с распределенными элементами (рис.5). Эта схема увеличивает рабочую частоту переключателя до 20 ГГц за счет дополнительного согласования емкости шунтирующих ПТ индуктивностью передающей линии, т.е. при расчете используется схема фильтра низких частот [3].
Рис.5. Электрическая схема переключателя с распределенными элементами
Конструкция переключателя на ПТШ
Для реализации схемы переключателя с распределенными элементами на предприятии «Планета-Аргалл» была разработана базовая технология изготовления СВЧ переключателей на основе полевых транзисторов с барьером Шоттки. Изготовленные по данной технологии СВЧ переключатели представляют собой монолитную интегральную схему (МИС) на арсениде галлия однополюсного переключателя на два направления (8РБТ) с диапазоном рабочих частот 0,01 ^ 20 ГГц.
Внешний вид кристалла МИС СВЧ переключателя приведен на рис.6.
Рис.6. Кристалл переключателя
Управление переключателем производится подачей инверсных напряжений уровней параллельно
по входам 1 и 2 управления (упр1 и упр2) согласно табл.1.
Таблица 1
Таблица истинности состояний переключателя
Управляющее напряжение, Цупр, В Выход 1 Выход 2
Цупр1 Цупр2
-5 0 Вкл. Выкл.
0 -5 Выкл. Вкл.
Обработка результатов
Измерения параметров переключателей проводились на зондовой станции, позволяющей измерять СВЧ параметры МИС непосредственно на пластине. Годными считались приборы, характеристики которых удовлетворяли требованиям, приведенным в табл.2.
Таблица 2
Требования к параметрам переключателей
Рабочий диапазон, ГГц Потери пропускания, дБ Развязка, дБ
0,01 — 10 Кп > -2,0 Кп < -40
10 — 20 Кп > -4,3 Кп < -30
Типовая частотная зависимость коэффициента передачи и развязки между каналами переключателя приведена на рис.7.
Рис.7. Типовая частотная зависимость коэффициента передачи и развязки переключателя
Заключение
В настоящей работе рассмотрены способы улучшения параметров переключателей и зависимость параметров от способов построения схемы. Для расширения рабочего диапазона переключателя предложено построение переключателя по схеме фильтра низких частот с распределенными элементами. Такая схема увеличивает рабочий диапазон частот до 20 ГГц, уменьшает прямые потери и увеличивает развязку между каналами. Приведены результаты реализации монолитной интегральной схемы СВЧ переключателя на ПТШ на арсениде галлия.
1. Devlin Liam. The Design of Integrated Switches and Phase Shifters // Proceedings of the IEE Tutorial Colloq. on «Design of RFICs and MMICs». Seattle, Washington, 1999. P.1-9.
2. Белов Л. Переключатели сверхвысокочастотных сигналов // Электроника: наука, технология, бизнес. 2006. №1. С.20-25.
3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Пер. с нем. М.: Мир, 1982. С. 185-189.
Bibliography (Translitirated)
1. Devlin Liam. The Design of Integrated Switches and Phase Shifters // Proceedings of the IEE Tutorial Colloq. on «Design of RFICs and MMICs». Seattle, Washington, 1999. P.1-9.
2. Belov L. Perekljuchateli sverkhvysokochastotnykh signalov // Ehlektronika: nauka, tekhnologija, biznes. 2006. №1. S.20-25.
3. Titce U., Shenk K. Poluprovodnikovaja skhemotekhnika: Spra-vochnoe rukovodstvo / Per. s nem. M.: Mir, 1982. S.185-189.
