Разработка монолитного малошумящего усилителя диапазона частот 30-37,5 ГГц на GaAs рНЕМТ-гетероструктурах

УДК 621.375.4

М.В. Черкашин, И.М. Добуш, Л.И. Бабак, Ю.В. Федоров, Д.Л. Гнатюк

Разработка монолитного малошумящего усилителя диапазона частот 30-37,5 ГГц на GaAs рНЕМТ-гетероструктурах

Приведены результаты проектирования и экспериментального исследования монолитного малошумящего усилителя диапазона частот 30-37,5 ГГц. Разработка выполнена с применением методики и программ визуального проектирования СВЧ транзисторных усилителей. Усилитель изготовлен на основе гетероструктурной 0,15 мкм GaAs рНЕМТ-технологии.

Ключевые слова: СВЧ монолитные интегральные схемы, малошумящий усилитель, Ка-диапазон, рНЕМТ, визуальное проектирование.

Введение. Повышение частотного диапазона СВЧ-устройств имеет массу преимуществ, так как позволяет уменьшить мощность, излучаемую передатчиком, повысить плотность канала передачи информации, снизить энергетические и массогабаритные параметры системы в целом и др. Однако переход на новый частотный диапазон требует разработки новых компонентов приемо-передающего тракта.

В статье представлены результаты проектирования и экспериментального исследования малошумящего усилителя (МШУ) для частотного диапазона 30-37,5 ГГЦ. Усилитель выполнен в виде монолитной интегральной микросхемы (МИС) на основе отечественной 0,15 мкм ОаЛв рНЕМТ-технологии Института СВЧ полупроводниковой электроники РАН (ИСВЧПЭ РАН), г. Москва [1].

Требования к характеристикам усилителя и параметры транзистора. В табл. 1 приведены требования, предъявляемые к характеристикам МШУ.

В МШУ используется рНЕМТ-транзистор с шириной затвора 4x30 мкм, который на частоте 35 ГГц имеет минимальный коэффициент шума около -Ртш « 1,5 дБ и соответствующий коэффициент усиления по мощности 6 дБ (У^,=0 В, Vd=2,5 В, 1^=25-30 мА). Отметим, что гетероструктура была выращена таким образом, чтобы для транзистора 4x30 мкм смещение на затворе, соответствующее минимальному коэффициенту шума, было равно Vgs = 0 В. Это позволило отказаться от отрицательного источника смещения для питания МИС.

Таблица 1

Требования к характеристикам МШУ_

Характеристика Значение

Диапазон частот 30-37,5 ГГц

Коэффициент шума F Не более 2,0 дБ

Коэффициент усиления в Не менее 18 дБ

Выходная мощность при снижении усиления на 1 дБ Не менее 10,0 мВт

КСВН входа и выхода Не более 2,0

Ток потребления Не более 60 мА

Напряжение питания Не более 5 В

Габариты МИС Не более 1x2 мм2

Проектирование усилителя. Разработка МШУ была выполнена с применением методики и программ визуального проектирования, разработанных в Лаборатории интеллектуальных компьютерных систем ТУСУРа (г. Томск). Описание самой методики и программ можно найти в [2, 3]. Процесс визуального проектирования на примере расчета двухкаскадного усилителя Х-диапазона приведен в [4]. Применение визуального подхода позволило выполнить расчет усилителя по комплексу требований с учетом взаимного влияния каскадов друг на друга в сжатые сроки.

Структурная схема МШУ приведена на рис. 1. Усилитель состоит из трех каскадов. Первый каскад настроен на минимум коэффициента шума, применение индуктивной ОС в цепи истока позволяет сблизить условия согласования по шуму и сигналу. Второй и третий каскады содержат цепи параллельной ОС для выравнивания коэффициента усиления и обеспечения согласования на входе и выходе транзисторов. Кроме того, выходная цепь СЦ4 обеспечивает согласование выхода усилителя с трактом передачи сигнала.

Zn

СЦ1

Lg3 |- ^d3

СЦ3 л LS3

о с

Tf T

Рис. 1. Структурная схема усилителя

Полученная в результате синтеза схема усилителя представлена на рис. 2. Индуктивности реализованы в виде отрезков микрополосковых линий. [>-

VD +2,5 В

ОН h

RF IN

К

I

-|~~4х30

ьч И -'Н*—11—

ЬлЛЛ/—<

4х30

t!

I

ЬЛАН

4х30

е

^ ь-ю

RF OUT

Рис. 2. Принципиальная схема усилителя

Далее была разработана топология кристалла МИС усилителя на основе микрополос-ковой конструкции с заземляющими отверстиями. Всего было разработано три топологические ячейки МИС усилителя. Основные различия между ячейками заключаются в топологическом расположении заземляющих отверстий и блокировочных конденсаторов для поиска оптимального решения с точки зрения устойчивости усилителя. Общий вид топологической ячейки LA.3037.1.12 МИС усилителя (размер 1,3x1,9 мм) показан на рис. 3, а. Результаты моделирования МШУ в среде AWR Microwave Office приведены на рис. 3, б и в табл. 2.

G, F, дБ

-10

-20

-30

Ч :*• \ ^ ; 1 Ч 1 ................Л^.ч...... j I S22 I у i \

= \ 4 1/ ....................!......Ьш чтп...................г/.......г;..........X/ \\\_ .1 j\ «Ill 1 { Ui-V/i}..........Xf-4 -J.............j.............i\. \ / у \ i V / ; д : \ / \ f\ ^Д jl; '

| К- 1...........T V i T -\ ].......>.................. Д 1 \ i \ \ /г F

1 \G

40

20

-20

0 10 20 30 40 /, ГГц

а б

Рис. 3. Топология кристалла МИС усилителя

Z

е

s

0

0

Результаты эксперимента. После изготовления МИС усилителя на технологической линейке ИСВЧПЭ РАН были проведены его экспериментальные исследования. Результаты измерений, полученные непосредственно на пластине с использованием зондовой станции, показаны на рис. 4 и сведены в табл. 2.

G, дБ; к

I Зп I, I «22 I, дБ

Рис. 4. Экспериментальные характеристики МИС усилителя

Таблица 2

Характеристики МИС усилителя, дБ

Характеристики G F

Требования 18-20 2,0 -10,0 -10,0

Моделирование 20,2-21,4 2,3 -11,3 -13,4

Эксперимент 15,3-18,2 - -8,3 -8,3

Расхождение результатов моделирования и эксперимента в основном связано с тем, что реальные параметры использованных в МШУ транзисторов оказались в определенной степени отличными от тех, которые применялись при проектировании. Достоверные измерения коэффициента шума МШУ провести не удалось, одной из предполагаемых причин является возбуждение усилителя при таких измерениях.

Заключение. В ходе работы над проектом была разработана МИС усилителя диапазона частот 30-37,5 ГГц. По-видимому, лучшие характеристики МШУ миллиметрового диапазона могут обеспечить переход к более высокочастотной тНЕМТ-технологии и ко-планарной конструкции без заземляющих отверстий.

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 нано-материалы», «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. Мокеров В.Г. Монолитные широкополосные малошумящие усилители Х-диапазона на основе 0,15 мкм GaAs р-НЕМТ-технологии / В.Г. Мокеров, Л.И. Бабак, Ю.В. Федоров и др. - 18-я Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2008). - Севастополь: Вебер, 2008. - Т. 1. - С. 63-64.

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». - Томск: В-Спектр, 2007. - Ч. 2. - С. 113-114.

3. Бабак Л.И. «Визуальное» проектирование корректирующих и согласующих цепей полупроводниковых СВЧ-устройств. - Ч. 1. Описание процедуры проектирования / Л.И. Бабак, М.В. Черкашин, Д.А. Зайцев // Доклады ТУСУРа. - Томск: ТУСУР, 2006. -№ 6 (14). - С. 11.

4. Бабак Л.И. «Визуальное» проектирование двухкаскадного монолитного малошумящего усилителя Х-диапазона / Л.И. Бабак, М.В. Черкашин, Ф.И. Шеерман, А.А. Баров. // 17-я Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо^2007). - Севастополь: Вебер, -2007.- Т. 1. - С. 101-102.

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

Добуш Игорь Мирославович

Аспирант каф. КСУП ТУСУРа

Тел.: +7-923-402-92-86

Эл. почта: igadobush@gmail.com

Бабак Леонид Иванович

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

доцент каф. компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) ТУСУРа Дом. тел.: +7 (382-2) 41-47-17, Сот. тел. +7-960-969-91-52 Эл. почта: leonid.babak@rambler.ru

Федоров Юрий Владимирович

Зав. лаб. Института СВЧ полупроводниковой электроники РАН (ИСВЧПЭ РАН), г. Москва

Тел.: +7 (495) 123-74-66

Эл. почта: yuraf2002@mail.ru

Гнатюк Дмитрий Леонидович

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

Cherkashin M.V., Dobush I.M., Babak L.I., Fedorov Yu.V., Gnatyuk D.L.

Design of 30-37.5 GHz MMIC low noise amplifier based on GaAs pHEMT heterostructures

The results of designing and experimental investigations of 30-37.5 GHz three-stage MMIC low-noise amplifier are described. While designing, a technique and software tools for the visual design of microwave transistor amplifiers have been used. The amplifier is produced based on the domestic 0.15 |m GaAs pHEMT process.

Keywords: MMIC,low-noise amplifier,Ka-band,pHEMT,visual design.