Распределенный GaN усилитель диапазона 1-8 ГГц с использованием трехпортового трансформатора

Многим современным микроволновым системам требуются усилители с большой выходной мощностью в широкой полосе частот и с высоким КПД. До настоящего времени многие такие системы обходились вакуумными усилительными устройствами. Недавние публикации показали устойчивый прогресс в разработке систем с использованием GaN МИС для диапазонов от НЧ до 7 ГГц [1–3]. В частности, выходная мощность достигла 10 Вт [1] в диапазоне частот 1–6 ГГц и 20 Вт в диапазоне 1–7 ГГц с использованием полностью монолитного усилителя. В диапазоне 0,02–6 ГГц выходная мощность составила 25 Вт [2]. В этой схеме усилитель является монолитным, а кристалл требует внешней обвязки. Другая разработка с внешними цепями смещения [3] обеспечивает 10 Вт в диапазоне 0,03–2,7 ГГц. В статье рассматривается усилитель в диапазоне 1–8 ГГц на основе СВЧ МИС с новинкой — трехпортовым трансформатором на выходе.

Технологический процесс 

Используемая МИС усилителя изготовлена с помощью технологического процесса с длиной затвора 0,15 мкм и рабочими эпитаксиальными слоями AlGaN/GaN. Эта GaN-структура выращена на SiC-подложке толщиной 100 мкм. Типичные характеристики по постоянному току данного процесса: максимальная плотность тока: 115 А/мм; максимальная поверхностная проводимость: 425 мСм/мм; запирающее напряжение: –2,9 В при рабочем напряжении сток–исток 10 В. Пробивное напряжение затвор–сток превышает 75 В при токе затвор–сток 1 мА и допустимом рабочем напряжении 28 В. К особенностям процесса заземления относятся три слоя металлизации для соединения элементов внутри структуры, тонкопленочный и эпитаксиальные резисторы, три разные плотности емкостей и сквозные отверстия для нижней металлизации. Сквозные отверстия малого размера обеспечивают контакт отдельных ячеек транзисторов с нижней металлизацией.

Схемное решение 

Преимущества использования монолитного усилителя следующие: полоса частот 1–8 ГГц; коэффициент усиления (КУ) в режиме малого сигнала превышает 25 дБ; мощность в режиме насыщения 10 Вт и КПД выше 30%. Чтобы обеспечить такой КУ, необходимо использовать как минимум два каскада усиления. Чтобы удовлетворить требованиям полосы частот, топология распределенного усилителя мощности была модифицирована для обеспечения повторяемости результатов при производстве МИС [4–5]. Выходная мощность этого усилителя равна VD2/RL, где VD — напряжение питания; RL — рабочий импеданс нагрузки МИС. Выходную мощность можно увеличить при разработке усилителя с большим напряжением питания или с меньшим импедансом нагрузки. Увеличение рабочего напряжения при использовании данной технологии может оказаться затруднительным, поскольку устройство не обеспечивает необходимой надежности при большем рабочем напряжении, и выходной импеданс стоковой цепи может быть бесконечно велик. Таким образом, для повышения выходной мощности применяется выходная микрополосковая схема с трехпортовым трансформатором (на которую заявлен патент), преобразующая 50‑Ом импеданс нагрузки в 25 Ом выходной цепи усилителя. Идеализированное представление такого трансформатора в исходном состоянии показано на рис. 1.

Рис. 1. Трехпортовый трансформатор с коэффициентом преобразования 2,25:1

Теоретически коэффициент преобразования 2,25:1 достигается при определенном положении выходного ползунка [6]. Из-за физических ограничений на его расположение коэффициент преобразования оказался близок к 2:1. Электромагнитное моделирование этого трансформатора показало возможность его работы в полосе с перекрытием 8:1. Для применения распределенного усилителя соединение с землей заменяется конденсатором, обеспечивающим индукционные свойства стока. Это исключает необходимость применения высокоомного дросселя смещения цепи стока, который может отрицательно повлиять на производительность и пропускную способность усилителя. Результаты моделирования схемы с помощью средства Axiem EM пакета AWR Microwave Office показаны на рис. 2. Расчетные потери структуры составляют 0,28–1,26 дБ в полосе 1–8 ГГц.

Рис. 2. Результаты электромагнитного моделирования трехпортового трансформатора

Учитывая частотный диапазон, параметры элементарной ячейки транзистора, ограничения по току передающей линии и характеристический импеданс, получаем, что шесть ячеек способны работать на 25‑Ом выходную нагрузку. Выходной каскад МИС также использует нестандартные транзисторные ячейки для реализации оптимального выходного импеданса на SiC-подложке толщиной 100 мкм [5]. Входной каскад реализован с помощью трех транзисторных ячеек, дающих 50 Ом. Оба каскада питаются одним уровнем напряжения, а плотность тока смещения позволяет соединить соответствующие линии друг с другом. Соответственно, двухкаскадная МИС имеет один стоковый и один затворный контакт. Изображение этой МИС приведено на рис. 3, размеры кристалла — 3,25×3,5 мм.

Рис. 3. Внешний вид МИС усилителя на тестовой плате

Результаты проведения теплового анализа показаны на рис. 4. Оценка температуры канала является достаточно сложной для этой схемы распределенного усилителя, т. к. частотная зависимость рассеиваемой мощности затрудняет определение наихудшего теплового состояния системы. Было установлено, что максимальная температура канала возникает там, где находится наибольший полевой транзистор, а также на обратной стороне кристалла, показанного на рис. 3 на частоте 2,5 ГГц. На рис. 4 показаны результаты теплового моделирования при использовании золото-оловянного (AuSn) припоя для монтажа МИС на основание. Температура задней поверхности МИС при анализе поддерживалась равной 85 °C. Максимальная температура канала при этих условиях составила 211 °C с ограничением для данного процесса по среднему времени наработки на отказ (MTTF) 106 ч.

Рис. 4. Результаты термического анализа при наихудших условиях

Результаты измерений

Произведенные устройства были полностью протестированы по постоянному току и СВЧ-измерениям. КПД в импульсном режиме этого усилителя показан на рис. 5. Партия тестируемых образцов насчитывала 187 МИС, изготовленных из пяти пластин из партии. На усилитель подавалась входная мощность 16 дБм в непрерывном режиме и в импульсном режиме при питании 28 В (100 мкс, скважность — 10). Ток смещения составил 600 мА.

Рис. 5. Результаты измерения КПД и выходной мощности на пластине
для всех протестированных 187 образцов

Измеренная выходная мощность составила 10 Вт в полосе 2–8 ГГц, немного спадая к 1 ГГц до 9 Вт. Типичный КПД выше 30% в измеренном диапазоне. Трехпортовый трансформатор в силу своей особенности увеличивает импеданс в нижнем участке полосы до того, как возникает короткое замыкание. Это уменьшает выходную мощность на низких частотах, но увеличивает КПД. Разброс выходной мощности в партии тестируемых МИС не превысил 1 дБм. Для облегчения разварки кристалла проволокой, его корпус был припаян к основанию из сплава меди и молибдена, толщиной 1,016 мм (40 мил). Вход и выход кристалла подключались к измерительным цепям с 50‑Ом сопротивлением тремя проволоками каждый. S‑параметры для отладочной платы были измерены при напряжении на затворе 28 В и температуре 25 °C задней части кристалла. Эти параметры показаны на рис. 6 для пяти тестируемых образцов.

Рис. 6. S-параметры, измеренные для отладочной платы

Типичное значение КУ для данной схемы в режиме малого сигнала превосходит 30 дБ в полосе 1–8 ГГц и колеблется в пределах 2 дБ. Данные, полученные при измерениях в широкой полосе, показаны на рис. 7. Поведение усилителя прогнозируемо с изменением температуры и не содержит пиков и резких изгибов. Моделирование схемы при 25 °C также показано на рис. 7 с соответствующими пометками при различных значениях температуры.

Рис. 7. Температурные зависимости S-параметров тестируемой платы с МИС

Измерение характеристик в режиме большого сигнала делались при тех же условиях, при которых производилось измерение S‑параметров. Частотные зависимости измеренных выходной мощности и КПД в непрерывном режиме показаны на рис. 8 и 9, соответственно. Для входной мощности 16 дБм выходная мощность в режиме насыщения составила 9,3–13,1 Вт в полосе частот 1–8 ГГц. Измеренный КПД для этого значения входной мощности превысил 29% с пиком 46% в области 1 ГГц. Кроме того, измерялась зависимость выходной мощности и КПД от температуры для оценки влияния температурных режимов на МИС, что показано на рис. 10 и 11, соответственно. Были установлены достаточно хорошие результаты, близкие к частотному поведению S‑параметров. Выходная мощность варьировалась в пределах 0,2–0,4 дБ в пределах изменения температуры на 125 °C.

Рис. 8. Частотная зависимость выходной мощности в непрерывном режиме

Рис. 9. Частотная зависимость КПД в непрерывном режиме

Рис. 10. Температурная зависимость выходной мощности

Рис. 11. Температурная зависимость КПД

Зависимость мощности насыщения от температуры показана на рис. 12. Заметим, эта кривая не выявила разрывов и пиков, что говорило бы о зависимости от входного сигнала или потенциальной нестабильности усилительной системы. Сравнение этих результатов с полученными на GaN МИС из других источников приведено в таблице.

Рис. 12. Характеристики насыщения для разных частот МИС

Данные включают измерения в достаточно близких частотных диапазонах. В некоторых областях выходная мощность усилителей превышает 10 Вт. МИС, приведенные в табл. и в [1], являются полностью монолитными: все дроссели и пассивные элементы, блокирующие постоянный ток, интегрированы в кристалл. Для работы усилителей, описанных в [2–3], необходимо устанавливать дроссели и блокираторы по постоянному току на входных и выходных портах устройства. Сравнивая выходную мощность, КПД и размер кристалла этих МИС, где цепи смещения реализованы на чипе, с теми, где они расположены вне кристалла, становится ясно, как параметры этих цепей влияют на производительность МИС в целом и на размер кристалла. Интеграция дросселя смещения в микросхему при сохранении разумного размера матрицы является трудной задачей при разработке широкополосных усилителей мощности.

Выводы

В статье была рассмотрена монолитная ИС, произведенная по процессу 0,15 мкм GaN. В ее схеме используется схема распределенного усилителя с трехпортовым трансформатором. Трансформатор обеспечивает положение рабочей точки цепи стока, избавляет от необходимости применения широкополосного дросселя в выходной цепи. Все остальные элементы цепей смещения монолитно интегрированы в кристалл. Двухкаскадный усилитель обеспечивает КУ, равный 31 дБ в режиме малого сигнала, 9,3–13,1 Вт выходной мощности в полосе 1–8 ГГц и КПД выше 29%. В режимах малого и большого сигналов были получены данные температурных зависимостей МИС, которые говорят о ее стабильном поведении. Измеренная производительность описанного усилителя выгодно отличается от недавно опубликованных результатов по полосе пропускания, усилению, размерам и КПД.