Широкополосный усилитель–корректор АЧХ
Введение
При использовании широкополосных усилителей СВЧ одним из важных параметров является неравномерность коэффициента усиления (КУ) в рабочей полосе частот. Особую популярность получили монолитные интегральные схемы (МИС) широкополосных усилителей с положительным наклоном АЧХ, компенсирующим потери в тракте. В МИС нет возможности подстройки схемы для корректировки АЧХ, поэтому один из способов уменьшения неравномерности КУ или получение положительного наклона АЧХ — применение корректоров, которые обеспечат требуемые параметры амплитудно-частотной характеристики.
В данной работе представлен пример корректировки АЧХ на основе МИС усилителей с распределенным усилением.
Описание конструкции
Усилители выполнены в виде монолитных интегральных схем на арсениде галлия по размерной обработке 0,2 мкм на гетероструктурах ПМГС-Д02 собственного производства. В качестве активного элемента использованы нормально закрытые гетероструктурные транзисторы с барьером Шоттки (E‑pHEMT) [1]. Расположение канала транзистора на определенной глубине обеспечило рабочий ток 100 мА/мм при нулевом смещении на затворе. Вольт-амперная характеристика (ВАХ), сток-затворная характеристика и профиль крутизны E‑pHEMT транзистора в удельных значениях приведены на рис. 1.
Схема с распределенным усилением выбрана для обеспечения широкой полосы рабочих частот усилителя. Необходимый наклон АЧХ в схеме УРУ можно обеспечить изменением общей ширины затворов транзисторов, что достигается изменением либо количества транзисторов, либо ширины затвора каждого транзистора.
Разработанные топологии усилителей представлены на рис. 2.
Моделирование и экспериментальные результаты
Моделирование выполнено с помощью САПР Advanced Design System. Измерения МИС усилителей проводили на пластине, на зондовой станции SUMMITT 12000B и векторном анализаторе цепей N5244A.
На рис. 3а отображена амплитудно-частотная характеристика МИС усилителя с общей шириной затворов 600 мкм, неравномерность КУ составляет 2,3 дБ, АЧХ имеет отрицательный наклон.
Для уменьшения неравномерности КУ готового устройства необходимо каскадно включить усилитель-корректор с положительным наклоном КУ. Положительный наклон достигнут уменьшением количества транзисторов до трех. На рис. 3б представлена АЧХ такого усилителя-корректора с общей шириной затворов 360 мкм, неравномерность КУ составляет 0,9 дБ.
Результат моделирования каскадного соединения двух вышеуказанных МИС с учетом разварочных проволочек показан на рис. 3в, неравномерность КУ составила 1,4 дБ.
Возвратные потери по входу и выходу для всех топологий находятся ниже –10 дБ.
На рис. 4 показаны экспериментальные характеристики каскадного включения МИС с общей шириной затворов 360 и 600 мкм. Измерения проводили на кристаллах, смонтированных на основание с использованием векторного анализатора цепей E5071C. Неравномерность КУ в полосе 2–18 ГГц составила 1,4 дБ. Напряжение питания +5 В, суммарный ток потребления 110 мА.
Был проведен анализ зависимости наклона АЧХ от общей ширины затворов для схемы с пятью транзисторами. Результат моделирования представлен на рис. 5.
Заключение
Таким образом, в работе исследовано влияние общей ширины затворов усилителя с распределенным усилением на поведение наклона АЧХ.
Приведены расчетные и измеренные АЧХ таких усилителей. Работа усилителей при нулевом смещении на затворе позволила существенно упростить конструкцию схемы, расширить ее функциональные возможности и уменьшить габаритные размеры.
Разработанные кристаллы усилителей имеют малые габаритные размеры (~1,25 мм2), однополярное питание без использования системы автосмещения и контактные площадки для проведения зондовых СВЧ-измерений на пластине.
- Крутов А. В., Кувшинова Н. А., Ребров А. С. Малошумящие GaAs PHEMT-транзисторы с нулевым смещением на затворе. Электроника и Микроэлектроника СВЧ. IV Всероссийская научно-техническая конференция. СПб., 2015.