Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СВЧ ДЕТЕКТОРОВ И УСИЛИТЕЛЯ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ УСИЛЕНИЕМ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ GAAS PHEMT ТЕХНОЛОГИЙ
|
1 ВВЕДЕНИЕ 7
2 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 13
2.1 Технология изготовления СВЧ МИС на основе GaAs 13
2.2 Ключевые технологические и электрические характеристики
используемых процессов 18
2.3 Детекторы проходящей мощности 19
2.4 Виды включений детектора проходящей мощности в СВЧ тракт 22
2.5 Обзор используемых схемотехнических решений и аналогов
пассивных детекторов проходящей мощности 24
2.6 Обзор используемых схемотехнических решений и аналогов
активных детекторов проходящей мощности 27
2.7 Усилители с распределенным усилением 30
2.8 Обзор используемых схемотехнических решений и аналогов
усилителей с распределенным усилением 33
2.9 Выводы и основные задачи исследования 34
3 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ 36
3.1 Пассивный детектор проходящей мощности 36
3.2 Активный детектор проходящей мощности 41
3.3 Усилитель с распределенным усилением 44
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 48
2 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 13
2.1 Технология изготовления СВЧ МИС на основе GaAs 13
2.2 Ключевые технологические и электрические характеристики
используемых процессов 18
2.3 Детекторы проходящей мощности 19
2.4 Виды включений детектора проходящей мощности в СВЧ тракт 22
2.5 Обзор используемых схемотехнических решений и аналогов
пассивных детекторов проходящей мощности 24
2.6 Обзор используемых схемотехнических решений и аналогов
активных детекторов проходящей мощности 27
2.7 Усилители с распределенным усилением 30
2.8 Обзор используемых схемотехнических решений и аналогов
усилителей с распределенным усилением 33
2.9 Выводы и основные задачи исследования 34
3 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ 36
3.1 Пассивный детектор проходящей мощности 36
3.2 Активный детектор проходящей мощности 41
3.3 Усилитель с распределенным усилением 44
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 48
Устройства, работающие в СВЧ диапазоне, могут быть изготовлены по технологиям печатных плат (ПП), гибридных и монолитных интегральных схем (ГИС и МИС).
В настоящий момент развития технологий широкое распространение получили МИС, используемые не только в военных, но и в гражданских применениях. Такая тенденция обусловлена высокой скоростью развития широкополосных систем передачи данных при постоянной потребности в снижении массы и габаритных размеров устройств, улучшении основных технических характеристик, высокой надежности и возможности серийного производства, которая приводит к снижению стоимости как модуля, так и конечного устройства [1].
В качестве основных материалов, на основе которых разрабатываются и изготавливаются МИС СВЧ, можно выделить следующие технологии: Si, SiGe, SOI, SOS, InP, GaAs, GaN.
Разные функциональные блоки могут изготовлены согласно определенной технологии и интегрированы на одном кристалле. Однако каждый материал имеет свои преимущества и недостатки. В настоящее время встречаются решения, когда функциональные блоки изготавливаются по различным технологическим процессам, после чего могут быть интегрированы в один корпус или размещены на печатной плате [2-4]. Подобные решения позволяют добиться лучших предельных электрических характеристик системы в целом.
Рассмотрим различные функциональные блоки, используемые при разработке приемопередающего модуля (ППМ), на примере структурной схемы, изображенной на рисунке 1.1, где каждый класс устройств выделен соответствующим цветом.
Коммутатор на приём
Рисунок 1.1 - Структурная схема НИМ
К управляющим устройствам относятся аттенюатор (АТТ), фазовращатель (ФВ) и коммутатор. Коммутатор предназначен для изменения направления передачи СВЧ энергии [5]. В качестве основных характеристик, стоит выделить, диапазон рабочих частот, вносимые потери, развязка, скорость переключения, уровень коммутируемой мощности.
АТТ является устройством, предназначенным для ослабления сигнала, без существенного изменения его формы или спектрального состава [6]. К основным параметрам можно отнести рабочий диапазон частот, диапазон и шаг вносимого ослабления, разрядность, уровень начальных потерь, коэффициенты отражения по входу и выходу, вносимый фазовый сдвиг, динамические характеристики и габаритные размеры.
Фазовращатель (ФВ) предназначен для изменения фазы, проходящего через него, СВЧ сигнала, посредством внешнего управляемого воздействия [7]. К основным параметрам можно отнести рабочий диапазон частот, диапазон и шаг вносимого фазового сдвига, неравномерность вносимого фазового сдвига,
9
уровень начальных потерь, коэффициенты отражения по входу и выходу,
амплитудная конверсия, габаритные размеры.
Детектор мощности (ДМ) - это устройство, служащее для преобразования мощности СВЧ сигнала в постоянное выходное напряжение, которое может быть обработано дальнейшим измерителем [8]. В качестве основных параметров, стоит выделить, диапазон рабочих частот, динамический диапазон, уровень вносимых потерь, температурный диапазон работы, ошибка детектирования, габаритные размеры.
Усилители, в свою очередь, необходимы для усиления входной амплитуды сигнала для его последующей обработки [9]. В зависимость от функционального назначения могут разрабатываться как узкополосные, так и широкополосные усилители. К наиболее распространенным типам усилителей можно отнести малошумящие (МШУ), буферные (БУ) и усилители мощности (УМ) [10].
Каждый тип усилителей может быть разработан с использованием различных схемных решений, выбор которых основывается на требованиях, предъявляемых к устройству. В качестве основных характеристик усилителей можно выделить рабочий диапазон частот, коэффициент усиления и его неравномерность, коэффициенты отражения по входу и выходу, коэффициент шума, точка однодецибельной компрессии коэффициента усиления, точка интермодуляции третьего порядка [10]. Таким образом, в зависимости от типа разрабатываемого усилителя основной упор делается на обеспечение различных характеристик. Например, при разработке МШУ приоритетной задачей проектировщика является обеспечение минимум коэффициента шума, при разработке БУ - поиск компромиссного решения между динамическими и шумовыми характеристиками, при разработке УМ основной акцент делается на обеспечении высоких динамических характеристик. Стоит отметить, что требования по коэффициентам усиления и отражения предъявляются к каждому из рассматриваемых видов усилителей.
В таблице 1.1 приведено сравнение основных электрических и физических параметров подложек, используемых при разработке усилительных и управляющих блоков [10-12].
Таблица 1.1 - Основные параметры подложек при комнатной температуре
Параметр Si SiC GaAs GaN InP
Ширина запрещенной зоны, эВ 1,12 2,86 1,43 3,39 1,35
Диэлектрическая постоянная 11,7 9,7 12,9 8,9 14
Подвижность электронов, см2/(В.с) 1450 500 8500 800 4000
Дрейфовая скорость насыщения электронов, х107 см/с 0,9 2 1,3 2,3 1,9
Критическая напряженность электрического поля, МВ/см 0,3 2,0 0,4 3,3 0,5
Теплопроводность, Вт/смтрад 1,45 3,5 0,45 1,3 0,68
Радиационная стойкость Неуд. Отл. Хор. Удовл. Отл.
Стоимость подложки Низ. - Ср. - -
Недостатком Si, в отличии от других рассматриваемых материалов, является невозможность реализации эпитаксиальных слоев
полуизолирующими. Технология формирования полуизолирующих областей широко используется для интеграции активных и пассивных компонентов, а также формирования микрополосковых линий с малыми потерями [10, 11].
В коммутирующих и управляющих устройствах основными электрическими параметрами, определяемыми технологией изготовления, и вносящими ключевой вклад в характеристики устройств, являются сопротивления транзистора в открытом состоянии (Ron) и его емкость в закрытом состоянии (COff). Значения параметров транзистора для различных технологий изготовления представлены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 - Параметры транзистора для различных технологий изготовления
Технология Ron Coff, фс
0,25 мкм GaAs pHEMT [13] 300
65 нм CMOS [14] 250
0,18 мкм CMOS SOI [15] 300
Продолжение таблицы 1.2
Технология RonxCoff, фс
0,5 мкм GaN [16] 690
SOS [17] 450
SOI [17] 150
SOI [17] 250
GaAs [17] 350
Из представленных данных видно, что управляющие устройства, с хорошими электрическими характеристиками, можно получать на технологии SOI и SOS, что демонстрирует производитель Peregrine Semiconductor [18]. Разработанная технология UltraCMOS (SOS), позволяет разрабатывать и изготавливать АТТ и ФВ превосходящие аналоги в рабочей полосе частот по основным электрическим характеристикам.
Технология GaN, среди рассматриваемых, является самой молодой и как следствие, не у всех фабрик уже имеется стабильный техпроцесс. Однако материал имеет наибольшую ширину запрещенной зоны, что обуславливает возможность работы транзистора при высоких уровнях активирующих воздействий (температуры, радиации). Также, материал имеет высокие пробивные напряжения, что в сочетании с высокой плотностью тока обеспечивает высокую удельную мощность транзисторов. Преимуществами материала пользуются такие производители, как Analog Devices, Qorvo, Macom, Wolfspeed (Cree) при разработке устройств, работающих с высокими уровнями мощностями, например, усилителей мощности (УМ) [19-22]. Технология GaN является достаточно перспективной, так как позволяет изготавливать в интегральном исполнении ППМ и их составляющие, способные демонстрировать высокие динамические характеристики [16].
Si технологии также получили широкое распространение на СВЧ, благодаря низкой стоимости, высокой степени интеграции, хорошим производственным возможностям [23-25].
Компромиссом, с точки зрения стоимости изготовления, электрических характеристик устройства и стабильности технологии является GaAs технология, получившая широкое применение в разработке МШУ и БУ, управляющих устройств, коммутаторов, а также НИМ на одном кристалле. Разработкой отдельных устройств и сложных систем на основе GaAs занимаются такие производители, как Analog Devices, Qorvo, United Monolithic Semiconductors, Mini Circuits и др. [19, 20, 26, 27].
Целью выпускной квалификационной работы является разработка детекторов проходящей мощности диапазона частот 4-20 ГГц с возможностью интеграции на одной полупроводниковой пластине совместно с различными функциональными блоками на основе отечественного технологического процесса 0,5 мкм GaAs pHEMT АО «Светлана-Рост». Разработка усилителя с распределенным усилением диапазона частот 1-20 ГГц на основе отечественного технологического процесса 0,15 мкм GaAs pHEMT АО «НИИНН».
В настоящий момент развития технологий широкое распространение получили МИС, используемые не только в военных, но и в гражданских применениях. Такая тенденция обусловлена высокой скоростью развития широкополосных систем передачи данных при постоянной потребности в снижении массы и габаритных размеров устройств, улучшении основных технических характеристик, высокой надежности и возможности серийного производства, которая приводит к снижению стоимости как модуля, так и конечного устройства [1].
В качестве основных материалов, на основе которых разрабатываются и изготавливаются МИС СВЧ, можно выделить следующие технологии: Si, SiGe, SOI, SOS, InP, GaAs, GaN.
Разные функциональные блоки могут изготовлены согласно определенной технологии и интегрированы на одном кристалле. Однако каждый материал имеет свои преимущества и недостатки. В настоящее время встречаются решения, когда функциональные блоки изготавливаются по различным технологическим процессам, после чего могут быть интегрированы в один корпус или размещены на печатной плате [2-4]. Подобные решения позволяют добиться лучших предельных электрических характеристик системы в целом.
Рассмотрим различные функциональные блоки, используемые при разработке приемопередающего модуля (ППМ), на примере структурной схемы, изображенной на рисунке 1.1, где каждый класс устройств выделен соответствующим цветом.
Коммутатор на приём
Рисунок 1.1 - Структурная схема НИМ
К управляющим устройствам относятся аттенюатор (АТТ), фазовращатель (ФВ) и коммутатор. Коммутатор предназначен для изменения направления передачи СВЧ энергии [5]. В качестве основных характеристик, стоит выделить, диапазон рабочих частот, вносимые потери, развязка, скорость переключения, уровень коммутируемой мощности.
АТТ является устройством, предназначенным для ослабления сигнала, без существенного изменения его формы или спектрального состава [6]. К основным параметрам можно отнести рабочий диапазон частот, диапазон и шаг вносимого ослабления, разрядность, уровень начальных потерь, коэффициенты отражения по входу и выходу, вносимый фазовый сдвиг, динамические характеристики и габаритные размеры.
Фазовращатель (ФВ) предназначен для изменения фазы, проходящего через него, СВЧ сигнала, посредством внешнего управляемого воздействия [7]. К основным параметрам можно отнести рабочий диапазон частот, диапазон и шаг вносимого фазового сдвига, неравномерность вносимого фазового сдвига,
9
уровень начальных потерь, коэффициенты отражения по входу и выходу,
амплитудная конверсия, габаритные размеры.
Детектор мощности (ДМ) - это устройство, служащее для преобразования мощности СВЧ сигнала в постоянное выходное напряжение, которое может быть обработано дальнейшим измерителем [8]. В качестве основных параметров, стоит выделить, диапазон рабочих частот, динамический диапазон, уровень вносимых потерь, температурный диапазон работы, ошибка детектирования, габаритные размеры.
Усилители, в свою очередь, необходимы для усиления входной амплитуды сигнала для его последующей обработки [9]. В зависимость от функционального назначения могут разрабатываться как узкополосные, так и широкополосные усилители. К наиболее распространенным типам усилителей можно отнести малошумящие (МШУ), буферные (БУ) и усилители мощности (УМ) [10].
Каждый тип усилителей может быть разработан с использованием различных схемных решений, выбор которых основывается на требованиях, предъявляемых к устройству. В качестве основных характеристик усилителей можно выделить рабочий диапазон частот, коэффициент усиления и его неравномерность, коэффициенты отражения по входу и выходу, коэффициент шума, точка однодецибельной компрессии коэффициента усиления, точка интермодуляции третьего порядка [10]. Таким образом, в зависимости от типа разрабатываемого усилителя основной упор делается на обеспечение различных характеристик. Например, при разработке МШУ приоритетной задачей проектировщика является обеспечение минимум коэффициента шума, при разработке БУ - поиск компромиссного решения между динамическими и шумовыми характеристиками, при разработке УМ основной акцент делается на обеспечении высоких динамических характеристик. Стоит отметить, что требования по коэффициентам усиления и отражения предъявляются к каждому из рассматриваемых видов усилителей.
В таблице 1.1 приведено сравнение основных электрических и физических параметров подложек, используемых при разработке усилительных и управляющих блоков [10-12].
Таблица 1.1 - Основные параметры подложек при комнатной температуре
Параметр Si SiC GaAs GaN InP
Ширина запрещенной зоны, эВ 1,12 2,86 1,43 3,39 1,35
Диэлектрическая постоянная 11,7 9,7 12,9 8,9 14
Подвижность электронов, см2/(В.с) 1450 500 8500 800 4000
Дрейфовая скорость насыщения электронов, х107 см/с 0,9 2 1,3 2,3 1,9
Критическая напряженность электрического поля, МВ/см 0,3 2,0 0,4 3,3 0,5
Теплопроводность, Вт/смтрад 1,45 3,5 0,45 1,3 0,68
Радиационная стойкость Неуд. Отл. Хор. Удовл. Отл.
Стоимость подложки Низ. - Ср. - -
Недостатком Si, в отличии от других рассматриваемых материалов, является невозможность реализации эпитаксиальных слоев
полуизолирующими. Технология формирования полуизолирующих областей широко используется для интеграции активных и пассивных компонентов, а также формирования микрополосковых линий с малыми потерями [10, 11].
В коммутирующих и управляющих устройствах основными электрическими параметрами, определяемыми технологией изготовления, и вносящими ключевой вклад в характеристики устройств, являются сопротивления транзистора в открытом состоянии (Ron) и его емкость в закрытом состоянии (COff). Значения параметров транзистора для различных технологий изготовления представлены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 - Параметры транзистора для различных технологий изготовления
Технология Ron Coff, фс
0,25 мкм GaAs pHEMT [13] 300
65 нм CMOS [14] 250
0,18 мкм CMOS SOI [15] 300
Продолжение таблицы 1.2
Технология RonxCoff, фс
0,5 мкм GaN [16] 690
SOS [17] 450
SOI [17] 150
SOI [17] 250
GaAs [17] 350
Из представленных данных видно, что управляющие устройства, с хорошими электрическими характеристиками, можно получать на технологии SOI и SOS, что демонстрирует производитель Peregrine Semiconductor [18]. Разработанная технология UltraCMOS (SOS), позволяет разрабатывать и изготавливать АТТ и ФВ превосходящие аналоги в рабочей полосе частот по основным электрическим характеристикам.
Технология GaN, среди рассматриваемых, является самой молодой и как следствие, не у всех фабрик уже имеется стабильный техпроцесс. Однако материал имеет наибольшую ширину запрещенной зоны, что обуславливает возможность работы транзистора при высоких уровнях активирующих воздействий (температуры, радиации). Также, материал имеет высокие пробивные напряжения, что в сочетании с высокой плотностью тока обеспечивает высокую удельную мощность транзисторов. Преимуществами материала пользуются такие производители, как Analog Devices, Qorvo, Macom, Wolfspeed (Cree) при разработке устройств, работающих с высокими уровнями мощностями, например, усилителей мощности (УМ) [19-22]. Технология GaN является достаточно перспективной, так как позволяет изготавливать в интегральном исполнении ППМ и их составляющие, способные демонстрировать высокие динамические характеристики [16].
Si технологии также получили широкое распространение на СВЧ, благодаря низкой стоимости, высокой степени интеграции, хорошим производственным возможностям [23-25].
Компромиссом, с точки зрения стоимости изготовления, электрических характеристик устройства и стабильности технологии является GaAs технология, получившая широкое применение в разработке МШУ и БУ, управляющих устройств, коммутаторов, а также НИМ на одном кристалле. Разработкой отдельных устройств и сложных систем на основе GaAs занимаются такие производители, как Analog Devices, Qorvo, United Monolithic Semiconductors, Mini Circuits и др. [19, 20, 26, 27].
Целью выпускной квалификационной работы является разработка детекторов проходящей мощности диапазона частот 4-20 ГГц с возможностью интеграции на одной полупроводниковой пластине совместно с различными функциональными блоками на основе отечественного технологического процесса 0,5 мкм GaAs pHEMT АО «Светлана-Рост». Разработка усилителя с распределенным усилением диапазона частот 1-20 ГГц на основе отечественного технологического процесса 0,15 мкм GaAs pHEMT АО «НИИНН».
В результате выполнения выпускной квалификационной работы был выполнен анализ и систематизация схемных решений интегральных СВЧ ДПМ и УРУ. Основываясь на проведенном анализе разработан пассивный ДПМ на основе отечественного технологического процесса 0,5 мкм GaAs pHEMT АО «Светлана-Рост» (г. Санкт-Петербург). Динамический диапазон детектора составил от минус 10 дБм до 20 дБм, полоса рабочих частот от 4 ГГц до 20 ГГц, коэффициенты отражения по входу |511| и выходу |Р22| не более минус 14 дБ, коэффициент передачи |S2i| не менее минус 1,2 дБ. При напряжениях питания 0,5 В и 1,2 В ток потребления составил 3 мкА и 400 мкА, соответственно. Габариты кристалла 0,6*0,8 мм2. Тенденция детекторной характеристики, полученной при моделировании и измерениях, сохраняется.
На основе проведенного анализа схемных решений разработана СВЧ МИС активного ДПМ на базе технологии 0,5 мкм GaAs pHEMT АО «Светлана-Рост». Динамический диапазон детектора составляет от минус 5 дБм до 20 дБм, полоса рабочих частот от 4 ГГц до 20 ГГц, коэффициенты отражения по входу |Sn| и выходу |52з| не более минус 16 дБ, коэффициент передачи |S2i| не менее минус 0,4 дБ, ток потребления 1,2 мА. Габариты кристалла 0,45*0,7 мм2. Использование активных ДПМ уменьшает ошибку детектирования при малых уровнях мощности, по СВЧ характеристикам данный тип детекторов не уступает пассивным ДПМ.
На основе выполненного анализа, разработана тестовая МИС четырех секционного УРУ, на основе отечественного технологического процесса 0,15 мкм GaAs pHEMT АО «НИИПП» (г. Томск), полоса рабочих частот от i до 20 ГГц. Напряжение питания схемы 3 В, ток потребления 80 мА. Коэффициент усиления составил 10,5±0,5 дБ, коэффициенты отражения не более минус10 дБ, коэффициент шума не более 5 дБ. Усилитель является абсолютно устойчивым во всей полосе частот. Габариты кристалла 1,4*2,3 мм2.
На основе проведенного анализа схемных решений разработана СВЧ МИС активного ДПМ на базе технологии 0,5 мкм GaAs pHEMT АО «Светлана-Рост». Динамический диапазон детектора составляет от минус 5 дБм до 20 дБм, полоса рабочих частот от 4 ГГц до 20 ГГц, коэффициенты отражения по входу |Sn| и выходу |52з| не более минус 16 дБ, коэффициент передачи |S2i| не менее минус 0,4 дБ, ток потребления 1,2 мА. Габариты кристалла 0,45*0,7 мм2. Использование активных ДПМ уменьшает ошибку детектирования при малых уровнях мощности, по СВЧ характеристикам данный тип детекторов не уступает пассивным ДПМ.
На основе выполненного анализа, разработана тестовая МИС четырех секционного УРУ, на основе отечественного технологического процесса 0,15 мкм GaAs pHEMT АО «НИИПП» (г. Томск), полоса рабочих частот от i до 20 ГГц. Напряжение питания схемы 3 В, ток потребления 80 мА. Коэффициент усиления составил 10,5±0,5 дБ, коэффициенты отражения не более минус10 дБ, коэффициент шума не более 5 дБ. Усилитель является абсолютно устойчивым во всей полосе частот. Габариты кристалла 1,4*2,3 мм2.
