Диссертация (1090806), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Онопозволило создать усилитель по микрополосковой технологии и обеспечитьстабильность в рабочем диапазоне частот.Рисунок 2.12 – Поперечное сечение пластины с межэлектрическимисоединениями, обеспечивающими общую заземляющую плоскость2.4 Построение моделей транзисторов на широкозонных гетероструктурахAlGaN/AlN/GaNПроведены исследования построенных по технологии со сквознымиотверстиями через слой фотолака тестовых транзисторов: измерения S-параметрови вольт-амперных характеристик.
Затем рассчитаны параметры нелинейной—65 —модели транзистора в среде Microwave Office по наилучшему совпадениюизмеренных и расчетных S-параметров в диапазоне частот 0.01-67 ГГц [73].Для создания нелинейных моделей была выбрана модель полевоготранзистора Fujii, имеющаяся в составе программного пакета AWR MicrowaveOffice [74]. Для расчета коэффициента шума малошумящего усилителяиспользовалась линейная шумовая модель Поспешальского [75], [76].2.4.1 Построение нелинейной модели транзистора FujiiНа рисунке 2.13 показана эквивалентная схема нелинейной моделитранзистора Fujii [77].Рисунок 2.13 – Эквивалентная схема нелинейной модели транзистора FujiiВмоделивольтампернаяхарактеристикатранзистораописываетсянелинейным источником тока, в котором зависимость тока стока от напряжения назатворе и напряжения на стоке определяется следующим выражением:r a , r = (# a , r + ^ r )(2.9)—66 —где:# a , r = (1 + tanh( Ψ))tanh (αr )(1 + r )(2.10)^ r = # r + ^ r^ + ⋯(2.11)Ψ=P1(a − |@ ) + 2 a − |@^+ 3 a − |@~+...(2.12)α=ALPH0+ALPH1·a(2.13)λ=LAMBDA0+LAMBDA1·a(2.14)|@ = 0 + · r(2.15)Токи утечек через затвор описываются двумя нелинейными источниками.При положительных напряжениях на затворе (Vg) и между затвором и стоком (Vgd)используются выражения для выпрямляющего контакта:aF = 0 · (exp ∗ a − 1)(2.16)ar = 0 · (exp ∗ ar − 1)(2.17)При напряжениях –Vgd>Vbd или –Vgs>Vdg токи описываются выражениями:aF = −0 · (exp · (−aF − †a ) − 1)(2.18)ar = −0 · (exp · (−ar − †a ) − 1)(2.19)где пробивные напряжения (Vbg и Vbd) определяются следующим образом:†a = · (1 + Ψr )(2.20)†r = ∗ (1 + Ψa )(2.21)Ψr = 1 a − + 2(a − )^ + 3(a − )~ + ⋯(2.22)Ψa = 1 ar − + 2(ar − )^ + 3(ar − )~ + ⋯(2.23)Ёмкости затвор-исток и затвор-сток описываются через зависимостифункций зарядов от напряжения на затворе и стоке:aF a , r = · 0 a +− · 0Š‹Œ•ŽŠ‹Œ•Žlog cosh a a − + · tanh @F rlog(cosh a − + · tanh @F r)−(2.24)—67 —ar a , r = · 0 ar +− · 0Š‹Œ•ŽŠ‹Œ•Žlog cosh a ar − + · tanh @F rlog(cosh a − + · tanh @F ra =‘F =)CŠC−(2.25)(2.26)ŠC9X·Š‹ŒŠC9XKŠI(2.27)ŠC9XПодбор параметров модели осуществлялся в среде AWR Microwave Office.Вначале, для качественного описания значений токов в рабочих точкахтранзистора, оптимизационными методами подбирались параметры P1, P2, P3,VPK0, IPK, GAMMA, ALP0, ALP1, LAMBDA0 и LAMBDA1.
В качестве целевойфункции была взята разность измеренных и рассчитанных значений тока стока.Затем аналогичным способом подбирались параметры CGS0, CF, GCG, DCG,CDS, LS, LG и LD для качественного описания S-параметров, измеренных вразличных рабочих точках и при холостом ходе.Для более точного описания статических и динамических измеренийпроизводилась итоговая оптимизация всех параметров модели, при этом целеваяфункция являлась комбинацией разности измеренных и рассчитанных значенийтоков стока во всех рабочих точках транзистора и разности значений S-параметровдля всех рабочих точек во всём частотном диапазоне. Окончательные значенияпараметров модели представлены в таблице 6.Таблица 6 - Значения параметров нелинейной модели FujiiПараметрP1P2P3P4P5P6ОписаниеПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентЗначение0.7042431339-0.1024766550.059041078-0.006692530.0647164-0.011—68 —ПараметрVPK0IPKDEL1DEL2DEL3DEL4DEL5DEL6GAMMAALP0ALP1LAMBDA0LAMBDA1TAUCGS0CFGCGDCGDKGSIG0FALPGFPB1PB2PB3PB4PB5VGSPKIG0RALPGRBVGDPKRGRSRGSRDRGDRDSFCDSОписаниеНапряжение на затворе при максимальнойкрутизне, ВТок при максимальной крутизне, мА/ммПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентПараметр, описывающий насыщения тока стокаПараметр, описывающий насыщения тока стокаПараметр, описывающий насыщения тока стокаПараметр, описывающий сопротивление стокистокПараметр, описывающий сопротивление стокистокФазовая задержка сигнала, псПараметр, описывающий ёмкость затвора, пФ/ммПараметр, описывающий ёмкость затвора, пФ/ммПараметр, описывающий ёмкость затвора, пФ/ммПараметр, описывающий ёмкость затвора, ВПараметр, описывающий ёмкость затвора, ВПрямой ток через выпрямляющий контакт, мА/ммПоказатель экспоненты для прямого токаПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентПолиномиальный коэффициентПиковое напряжение пробоя, ВТок пробоя, мА/ммПоказатель экспоненты для тока пробояНапряжение пробоя, ВСопротивление затвора, Ом/ммСопротивление истока, Ом·ммВнутреннее сопротивление Rgs, Ом·ммСопротивление стока, Ом·ммВнутреннее сопротивление Rgd, Ом·ммСопротивление сток-исток, Ом/ммЁмкость сток-исток, пФ·ммЗначение-1.7966031470.957117.448294e-58.5532454e-50000-0.04138381.24481790.191268330.003613040.00499980.000952050.793824361.44542970.0823234472.08377050.0708865572e-174010000-601e-50.158605.13864080.035465541.276500861.38226541.45210369127.1578670.16827869—69 —ПараметрCPDSCPGSCPGDLSLGLDОписаниеЁмкость площадок сток-исток, пФЁмкость площадок затвор-исток, пФЁмкость площадок затвор-сток, пФИндуктивность истока, нГнИндуктивность затвора, нГнИндуктивность стока, нГнЗначение0.0065490.0014772540.0019090390.0009464730.0501857770.0375966Как видно из рисунка 2.14 вольтамперная характеристика полученнойнелинейной модели хорошо описывает измеренные значения токов в рабочихточках.Модель также достаточно хорошо описывает измеренные значения Sпараметров.
В качестве примера на рисунках 2.15 и 2.16 представлено сравнениеизмеренных и рассчитанных с помощью полученной модели S-параметровтранзистора, а также значений |h21| и MaxGain в одной из рабочих точек.Нелинейная модель хорошо согласуется с результатами измерений вольтамперных характеристик и S-параметров и пригодна для создания МИС МШУдиапазона 57-64 ГГц.Рисунок 2.14– Вольтамперная характеристика транзистора («○» – измеренные врабочих точках значения, «-» – значения, рассчитанные по нелинейной модели)—70 —S12S11б)S22S21а)в)г)Рисунок 2.15 – Действительные (синие линии) и мнимые (красные линии)значения S11 (а), S12 (б), S21 (в) и S22 (г) («○» – измеренные значения, «-» –значения, рассчитанные по нелинейной модели)Рисунок 2.16 – Значения |h21| и MaxGain (пунктирные линии – измеренныезначения, сплошные линии – значения, рассчитанные по нелинейной модели)—71 —2.4.2 Построение шумовой линейной модели транзистора ПоспешальскогоДля оценки коэффициента шума используется модель транзистораПоспешальского [78], [79].
На рисунке 2.17 показана эквивалентная схема данноймодели.Рисунок 2.17 – эквивалентная схема линейной модели транзистораПоспешальскогоДля оптимизации параметров этой модели используется одна рабочая точка,для которой также измерены значения коэффициента шума (рисунок 2.19 сераялиния). Параметры, полученные в ходе оптимизации, представлены в таблице 7.Таблица 7 - Значения параметров линейной модели ПоспешальскогоПараметрОписаниеЗначениеTATDGMCGSRGSRDSTAUCDSCDGRSRDТемпература кристалла, °СТемпература RDS, °СКрутизна, СмФиксированная емкость затвор-исток, пФСопротивление затвор-исток, ОмСопротивление сток-исток, ОмФазовая задержка сигнала, нсЕмкость сток-исток, пФЕмкость сток-затвор, пФСопротивление истока, ОмСопротивление стока, Ом2440000.03964430.0544961.4300272.40.000531860.0045150.0174491.432140.78313—72 —ПараметрОписаниеЗначениеRGLSLDLGCPGCPDСопротивление затвора, ОмИндуктивность истока, нГнИндуктивность стока, нГнИндуктивность затвора, нГнЁмкость площадки затвора, пФЁмкость площадки стока, пФ3.819140.0109490.0468140.044930.0109960.014916В качестве примера на рисунке 2.18 представлено сравнение измеренных ирассчитанных с помощью полученной модели значений |h21| и MaxGain, а нарисунке 2.19 зависимость рассчитанного коэффициента шума от частоты.Рисунок 2.18 – Значения |h21| и MaxGain для линейной модели Поспешальского(синие пунктирные линии – измерения, красные сплошные линии – значения помодели).—73 —6NF, NFmin, дБ5432NF(модель)NFmin(модель)NF(измерения)10010203040Частота, ГГц506070Рисунок 2.19 – Значения коэффициента шума в 50-Омном включении (краснаялиния) и минимального коэффициента шума (синяя линия) по модели транзистораПоспешальского и измеренный коэффициент шума (серая линия)Как видно из рисунка 2.19, рассчитанное значение коэффициента шумаоколо 4.6 дБ на частоте 60 ГГц, что допускает возможность изготовлениямалошумящих усилителей с коэффициентом шума менее 6.5 дБ.2.5 Электродинамическое моделирование малошумящего усилителяВсе топологические проекты рассчитывались с использованием моделиHEMT транзисторов, описанной выше, на гетероструктурах AlGaN/GaN/сапфир снеутоненной подложкой толщиной 340 мкм и обратной металлизацией.
Так какиспользуемые транзисторы имеют величину коэффициента MaxGain около 6 дБ вдиапазоне частот от 57 до 64 ГГц, то использование 4 каскадов должно позволитьдостигнуть коэффициент передачи более 16 дБ.Припроектированиивходнойсогласующейцепивыполняетсяпреобразование импеданса входа – стандартных 50 Ом, во входной импеданстранзистора [80].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
