СВЧ усилитель. ЕвгЕний Бунтов
 Скачать 1.3 Mb.
|
|
В статье рассматриваются результаты проектирования и испытаний МИС СВЧ усилителя мощности, работающего на частотах около 40 ГГц и изготовленного с использованием нитрида галлия на кремнии с шириной затвора 100 нм. Представленный в статье усилитель работает в Ku-диапазоне с обеспечением усиления 20 дБ, выходной мощности 14 Вт при компрессии 4,5 дБ и КПД до 30%. Такая величина выходной мощности достигается при плотности рассеяния мощности 3,2 Вт/мм на транзисторе, что позволяет легко регулировать конечную температуру изделия. ЕвгЕний Бунтов, eugene.b@npk-photonica.ru Проектирование усилителей мощности на основе нитрида галлия на кремнии (GaN/Si) с исПользованием технологии комПании OMMIC Д о сегодняшнего дня сети 3G и 4G были развернуты в полосах частот до 4 ГГц. Для высокоскоростной передачи данных в сетях 5G требуется разработка новых изделий на более вы- соких частотах, например 27 или 37– 40 ГГц в США, 24–27, 31–33 или 40–43 ГГц в Европе и 37–43 ГГц — в Китае. На таких частотах используемые в настоящее вре- мя технологии Silicon/LDMOS больше не в состоянии отвечать техническим требованиям сетей 5G. На частотах выше Ka-диапазона технологии GaN чаще все- го обеспечивают ширину затвора 500, 250 или 150 нм. Компания OMMIC раз- работала технологию, обеспечивающую ширину затвора 100 нм. Эта технология, получившая название D01GH, позволяет достичь 100 ГГц. Для реализации этого проекта компа- ния OMMIC использовала процесс вы- ращивания структур на основе нитрида галлия, на сегодняшний день уже до- ступный для контрактного производства. Принимая во внимание развитие техно- логий 5G и растущий объем рынка, ком- пания выбрала процесс GaN/Si по следу- ющим причинам: - стоимость выращивания на крем- нии ниже, чем на карбиде крем- ния; - процесс лицензирования имеет зна- чительно меньше рисков, чем ли- цензирование изделий на карбиде кремния; - в долгосрочной перспективе этот тип процесса совместим для ин- теграции с кремниевыми КМОП- процессами. Характеристика Уровень Максимальная частота, ГГц 105 Максимальное стабильное усиление на частоте 30 ГГц (2×25 мкм), дБ 13 Плотность мощности, Вт/мм 3,3 Проводимость, См/м 800 Сопротивление стока (Vds = 0 В), Ом•мм 0,6 Напряжение пробоя (300 мкА/мм), В 50 Максимальный ток стока (Vds = 3 В), А/мм 1,3 Рекомендуемое напряжение питания, В 12 Таблица 1. Основные технические характеристики GaN/Si процесса Рис. 1. Рабочие параметры транзистора размером 6×70 мкм на частоте 30 ГГц 16 www.microwave-e.ru Р УБ РИК А Процесс нитрида галлия на кремнии, о котором идет речь в этой статье, обе- спечивает ширину затвора 100 нм и реге- нерированные омические контакты. Они защищены несколькими слоями нитри- да кремния (SiN) и диоксида кремния (SiO 2 ), что в результате позволяет осу- ществлять корпусировку в пластиковый корпус и значительно снижает стоимость конечной продукции. При использовании этой технологии у разработчиков имеется возможность использовать два значения плотности МДМ-конденсаторов (400 и 50 пФ/мм 2 ), два типа сопротивления (40 и 400 Ом). Кроме того, технология обеспечивает толстое металлическое покрытие в ме- стах отверстий через подложку для на- дежного радиочастотного заземления. При использовании кремния с высо- ким удельным сопротивлением удается уменьшить влияние потерь на подложке по сравнению с арсенидом галлия, по- скольку потери 1-мм копланарной линии составляют 0,3 дБ/мм на частоте 30 ГГц. Основные технические характеристи- ки процесса представлены в табл. 1. Для проектирования МИС компания OMMIC через своего дистрибьютора в России — «НПК Фотоника» — передает библиоте- ки данных (Procession Design Kit, PDK) со всей необходимой информацией и ма- кетами для проектирования микросхем. Предлагаемые библиотеки включают в себя транзисторную электротермиче- скую нелинейную модель, масштабиро- ванные модели всех пассивных элемен- тов. Кроме того, предлагаются шумовые модели и модели ключей, что позволяет создавать многофункциональные схемы для сетей Massive MIMO 5G. Разработка усилителя мощности на та- ких частотах предусматривает решение двух задач: - частота 40 ГГц является достаточно высокой для процесса на нитриде галлия; при этом требуется, что- бы усиление было не менее 20 дБ, а выходная мощность составила 10–12 Вт; - обеспечить контроль над рассеивае- мой мощностью с учетом подложки из кремния, у которой более высо- кое тепловое сопротивление, чем у карбида кремния, в т. ч. выполнить требования к надежности, предъяв- ляемые к сетям пятого поколения. При проектировании интегральных схем следует учитывать, что на сверхвы- соких частотах параметры транзистора ограничены: импеданс соединения исто- ка со сквозными отверстиями составляет около 5 Ом, а индуктивность — 20 пГн на частоте 40 ГГц. Для сравнения: со- противление истока транзистора равно 0,2 Ом•мм. Из-за последовательной об- ратной связи коэффициент усиления уменьшается. Для обеспечения приемлемого уров- ня компрессии была выбрана транзи- сторная ячейка размером 8 ×65 мкм = 520 мкм с помощью симуляции, чтобы обеспечить небольшое усиление сигна- ла, по меньшей мере, 8 дБ в условиях оптимального согласования мощности и режима работы класса АВ. В конечном счете, при мощности 3,3 Вт/мм и поте- рях 1 дБ выходная мощность величиной 10 Вт обеспечивается путем использова- ния комбинации из восьми транзисторов в выходном каскаде. Рис. 2. Топология 40-ГГц усилителя мощности на нитриде галлия Рис. 3. Фотография кристалла на пластине Размер транзистора, мкм Частота, ГГц V DS , В I DS , мА P ВХ , дБм P ВЫХ , дБм Линейное усиление, дБ Усиление мощности, дБ P DC , Вт/ мм P RF , Вт/мм P DISS , Вт/ мм 8×35 30 12 172,03 21,07 30,63 11,68 9,56 7,37 4,13 3,70 6×70 30 12 241,71 24,68 32,10 11,25 7,42 6,91 3,86 3,74 6×100 30 12 322,39 25,57 33,18 10,72 7,61 6,45 3,47 3,58 Таблица 2. Параметры транзистора, полученные при мощности рассеяния 3,5 Вт/мм 17 СВЧ-электроника №2 2018 Р УБ РИК А Для транзистора такого размера мак- симальная рассеиваемая плотность мощ- ности для подержания точки максималь- ной температуры 200 и 80 °C на тыльной стороне составляет приблизительно 3,5 Вт/мм. При такой температуре сред- няя наработка на отказ (MTTF) равна 1 млн ч. Рассеиваемая мощность опреде- ляется следующей формулой: P DISS = P DC + P IN – P OUT , где P DISS — рассеиваемая мощность; P DC — мощность постоянного тока; P IN — входная мощность; P OUT — выход- ная мощность транзистора. На рис. 1 показаны результаты изме- рения нагрузки транзистора размером 6 ×70 мкм на частоте 30 ГГц. Заметим, что показатель КПД = 49% учитывает вход- ную мощность, а не только эффектив- ность стока. Данные в табл. 2 приведе- ны для рассеиваемой мощности около 3,5 Вт/мм. Таким образом, можно сделать вывод о корректности предположений при вы- боре размера транзистора для усилителя, работающего на частоте 40 ГГц. Принимая во внимание потери и вы- ходную мощность, использовалась трехкаскадная топология, обеспечив- шая усиление 20 дБ. Для упрощения монтажа контактные площадки за- творов были размещены рядом друг с другом, чтобы позволить коммути- ровать их без дополнительных перехо- дов. Такая же схема использовалась для контактных площадок стока. Каждый отдельный каскад был рассчитан так, чтобы он был стабильным для каждой точки смещения вдоль линии нагруз- ки до максимальной частоты отсечки транзистора. Финальная компоновка показана на рис. 2, 3. Размеры схемы: 3,6 ×2,8 мм. РЕзультаты тЕстиРования Мис После изготовления МИС измеря- лась непосредственно на пластине с ис- пользованием СВЧ-зондов. Поскольку термический контакт на заднюю часть пластины невелик, испытания прово- дились в импульсном режиме с дли- тельностью импульса 9 мкс и коэффи- циентом заполнения 1%. Как видно из рис. 4, измеренное зна- чение усиления составило 20 дБ в диапа- зоне 37–42 ГГц. Выходная мощность пре- высила 41,3 дБм (13,5 Вт) в диапазоне 38– 40 ГГц. При выходной мощности 32 дБм КПД составляет 11%. Рекомендуемое производителем напряжение смеще- ния — 12 В. Хотя рекомендуемое напряжение смещения равно 12 В, исследования также проводились для напряжений 8–15 В и 20 В. Как видно из рис. 5, выход- ная мощность растет вместе с напряже- нием питания. Рассеиваемая мощность транзистора показана на рис. 6 для 10, 12 и 14 В. Как видно, требуемая величина вы- ходной мощности 10 Вт была достиг- нута уже при значении 10 В с рассеива- емой плотностью 3,2 Вт/мм, что дает значительный запас для термического управления конечным изделием. Для обеспечения более высокой плотно- сти рассеиваемой мощности при бо- лее коротком сроке службы выходная мощность 15 Вт достигается на часто- те 40 ГГц при рассеиваемой мощности 5 Вт/мм. Как видно из графиков, проектирова- ние усилителей с использованием тех- нологии D01GH дает положительный результат, а выходные требования усили- теля соответствуют требованиям, предъ- являемым к современным МИС. Одним из усилителей мощности, созданных на основе GaN/Si, является CGY2651UH/C1. У этого усилителя сле- дующие характеристики: - частотный диапазон: 38–44 ГГц (см. рис. 7); Рис. 4. Зависимость основных параметров от изменения частоты Рис. 6. Мощность рассеяния транзистора на частоте 40 ГГц при напряжении смещения 10, 12 и 14 В Рис. 5. Измерения выходной мощности и КПД с различным напряжением смещения 18 www.microwave-e.ru Р УБ РИК А Рис. 7. Зависимость выходной мощности от частоты CGY2651UH/C1 - выходная мощность: 40 дБм (10 Вт); - коэффициент усиления: 20 дБ; - КПД: 25%; - напряжение смещения: 12 В. Официальным дистрибьютором компании OMMIC в России являет- ся научно-производственная компания «Фотоника». Компания «Фотоника» за- нимается не только поставкой элемент- ной базы OMMIC, но также разработкой и контрактным производством МИС по технологиям OMMIC. 19 СВЧ-электроника №2 2018 Р УБ РИК А |