2. Этапы проектирования твердотельных СВЧ-усилителей

Проектирование твердотельного СВЧ-усилителя включает в себя следующие этапы:

1)выбор активного элемента;

2)выбор схемы построения усилителя;

3)измерение параметров активного элемента;

4)расчет схемы согласования;

5)разработка конструкции и технологии изготовления;

6)изготовление экспериментального образца;

7)измерение характеристик экспериментального образца;

8)корректировка конструкции по результатам измерений.

Рассмотрим содержание работ, выполняемых на первых четырех эта-

пах.

3.Выбор активного элемента

Внастоящее время для создания СВЧ-усилителей используют арсенидгаллиевые транзисторы: полевые с барьером Шоттки, гетероструктурные, с p-n-переходом и другие типы, транзисторы из нитрида галлия, фосфида индия и других материалов. Наиболее широко применяется ПТ, способный работать на частотах до 100 ГГц, технология его изготовления достаточно отработана и легко совместима с технологией монолитных интегральных схем.

Физика работы полевого транзистора достаточно подробно рассматривается в работах [1, 2]. На рис. 4 представлено поперечное сечение активной области полевого транзистора, в котором на высокоомной полу-

изолирующей подложке (1) или на промежуточном буферном слое с концентрацией доноров 1013 см 3 (2) выращивают эпитаксиальный активный слой арсенида галлия (3) n-типа электропроводности (концентрация

носителей 1017 см 3) и контакты металл – полупроводник, образующие исток (И), сток (С) и затвор (З) ПТ.

Исток и сток выполнены в виде омических контактов, затвор – в виде барьера Шоттки. Наличие буферного слоя препятствует диффузии примесей из подложки в активный канал, что способствует увеличению крутизны вольт-амперной характеристики (ВАХ) и уменьшению коэффициента шума транзисторов.

8

Рис. 4. Поперечное сечение активной области полевого транзистора: 1 – полуизолирующая подложка; 2 – буферный слой; 3 – активный слой; 4 – обедненный слой

Между истоком и стоком ПТ включается источник постоянного напряжения Uc, «положительный» вывод которого соединен со стоком, а «отрицательный» – с истоком (рис. 5).

Рис. 5. Схема включения полевого транзистора по постоянному току

В активном слое транзистора создается электрическое поле, под действием которого происходит дрейф электронов по каналу от истока к стоку. Между затвором и истоком включается источник постоянного напряжения Uз, у которого «положительный» вывод соединен с истоком, а «отрицательный» – с затвором. Под действием поля Uз электроны дрейфуют в направлении от затвора к буферному слою, под затвором образуется обедненный слой (область положительного пространственного заряда, область 4 на рис. 4), уменьшающий толщину канала. Поскольку протекающий по каналу ток создает на нем падение напряжения вдоль его длины, то часть канала, расположенная ближе к стоку, оказывается сильнее смещенной в обратном направлении, что проявляется в расширении обедненной области. Если, кроме постоянного напряжения Uз, к затвору приложить переменное напряжение Uз (t), то в соответствии с законом изменения данного напряжения будет изменяться толщина канала, а следовательно, и ток стока.

9

Остановимся здесь на некоторых важнейших характеристиках, которые необходимо учитывать при выборе конкретного типа ПТ, используемого при разработке усилителя.

На постоянном токе полевой транзистор характеризуют двумя семействами вольт-амперных характеристик – выходными ВАХ, представляющими собой зависимости тока стока от напряжения стока при различных напряжениях затвора (рис. 6), и переходными ВАХ, представляющими собой зависимости тока стока от напряжения затвора при различных значениях напряжения стока (рис. 7).

Рис. 6. Семейство выходных вольт-амперных характеристик ПТ

На выходных ВАХ выделяют две области: с сильной зависимостью тока стока от напряжения стока (I) и слабой зависимостью ic от Uc (II). При малых Uc (область I) канал транзистора подобен линейному сопротивлению Rкн, которое не зависит от Uc и является функцией Uз, ic линейно изменяется с изменением Uc: При больших Uc (область II) сопротивление канала становится зависящим от Uc вследствие нелинейности характеристики зависимости скорости электронов от электрического поля. В области II ток стока практически не зависит от напряжения на стоке, но зависит от напряжения на затворе.

Рабочий диапазон изменения напряжения на затворе – от напряжения отсечки (канал полностью перекрыт областью пространственного заряда) до напряжения, при котором открывается барьер Шоттки (0,8 В для GaAs).

Важнейшая характеристика ПТ, определяющая его усилительные свойства, – крутизна ВАХ, то есть скорость изменения тока стока с изменением напряжения затвора:

∆ic g = ∆Uз :

10

Рис. 7. Переходная вольт-амперная характеристика ПТ

Большое значение при проектировании усилителя на ПТ имеет выбор на ВАХ рабочей точки [3–6], обеспечивающей оптимальные свойства усилителя, что иллюстрируется рис. 8.

Рис. 8. К выбору рабочей точки ПТ

Низкий уровень шума достигается при малых значениях напряжения стока и тока стока (рекомендуемое значение тока стока – 0,15icнас, где

– значение насыщения тока стока) – точка C на рис. 8.

Высокие значения коэффициента усиления могут быть получены при токах стока, близких к icнас, так как значение крутизны ВАХ увеличивается с уменьшением напряжения затвора вследствие уменьшения влияния подложки на характеристики канала транзистора – точка A на рис. 8.

11

Для получения максимальной выходной мощности рекомендуется рабочая точка, соответствующая 0,5 ic нас (точка B на рис. 8), при этом переменное напряжение на затворе может изменяться от напряжения отсечки канала до напряжения, соответствующего максимальному допустимому току стока, т. е. амплитуда его максимальна.

Типичный вариант топологии полевого транзистора представлен на рис. 9.

Рис. 9. Типичный вариант топологии ПТ

Необходимо обратить внимание на два основных геометрических размера, влияющих на основные электрические свойства транзистора – длину затвора (Lз) и ширину затвора (Wз).

Длина затвора определяет максимальную рабочую (граничную) частоту транзистора:

здесь tпр – время пролета электрона под затвором, vэ – скорость электрона. Транзисторы с длиной затвора 0,5–1 мкм работают на частотах до 12– 20 ГГц; современные транзисторы, имеющие длину затвора 0,25 мкм, и даже 0,125 мкм, способны работать на частотах до 100 ГГц.

Другой важнейший геометрический параметр полевого транзистора – ширина затвора – определяет выходную мощность. Мощность переменного сигнала, отдаваемая транзистором в нагрузку, зависит от напряжения постоянного тока, приложенного к стоку Uс (3–5 В для малошумящих транзисторов, 6–10 В – для мощных), и тока через канал транзистора (тока стока iс), который, в свою очередь, определяется поперечным сечением канала. Поскольку толщина канала, в силу технологических особенностей

12

изготовления, не может варьироваться в широких пределах, в наибольшей степени поперечное сечение канала регулируется его шириной, то есть шириной затвора.

Однако увеличение ширины затвора с целью создания транзисторной структуры с большей единичной выходной мощностью приводит к двум затруднениям. Первое из них связано с тем, что входной СВЧ-сигнал, распространяясь в линии передачи, образуемой затвором, испытывает затухание, частотная зависимость которого вычисляется по формуле:

Врезультате различные участки затвора «запитываются» сигналами

ссущественно различающимися амплитудами, эффективность модулирования канала уменьшается, дальнейшее увеличение ширины затвора теряет смысл. На практике транзисторы, изготовленные по топологии рис. 9, имеют ширину затвора не более 300 мкм.

Указанное противоречие разрешается применением топологических схем, приведенных на рис. 10 и 11 [7].

Рис. 10. Топология ПТ с двумя контактными площадками затвора

13

Рис. 11. Топология ПТ с «воздушными» мостиками

Схема рис. 10 отличается наличием двух контактных площадок затвора и, соответственно, двух точек «запитки» затвора. При таком подходе общее сопротивление затвора уменьшается в четыре раза, поскольку ширина затвора, «возбуждаемая» одной точкой подключения, уменьшается наполовину (от случая рис. 9) и укороченные затворные секции соединены параллельно. Данная схема позволяет реализовать транзисторные структуры с шириной затвора до 1200 мкм. Дальнейшее увеличение ширины затвора, помимо уже отмеченных проблем, связанных с ростом затухания в затворной линии, приводит к увеличению размеров кристалла, что нежелательно. Следующим шагом является использование так называемых «компактных» структур (см. рис. 11). При такой схеме общая ширина затвора WЗS, представляет собой сумму значений ширины отдельных затворных секций (восьми – на рис. 11): WЗS = 8WЗ′. Данная схема позволяет реализовать значения WЗS до нескольких миллиметров и даже десятков миллиметров. Технологической особенностью данной топологической схемы является использование «воздушных» мостиков, объединяющих отдельные участки истока в единую структуру.

Второе из затруднений, возникающих при росте ширины затвора транзисторной структуры, связано с противоречием между шириной затвора и шириной рабочей полосы частот, в которой может быть согласован транзистор. Дело в том, что с увеличением ширины затвора увеличивается емкость затвор – исток Cзи, в результате чего уменьшается входное сопротивление транзистора. Так, на частотах около 10 ГГц ширина затвора транзистора с выходной мощностью в несколько ватт определяет входное сопротивление 1 Ом, что приводит к существенным трудностям согласования такого транзистора со стандартной линией с волновым сопротивлением 50 Ом в широкой полосе частот. Преодоление данного затруднения связано с выбором схемы построения усилителя.

Схемы включения транзистора по СВЧ [3]: с общим истоком (ОИ) (рис. 12); с общим затвором (ОЗ) (рис. 13); с общим стоком (ОС) (рис. 14).

14

Рис. 14. Схема включения ПТ по СВЧ с общим стоком

ОИ : наилучшие усилительные свойства, безусловная устойчивость в широкой полосе частот;

ОЗ: наименьший коэффициент шума, недостаток – плохая устойчивость;

ОС: используется для создания истоковых повторителей.

Схемы включения транзистора по постоянному току (во всех случа-

ях по СВЧ транзистор включен по схеме с общим истоком).

1.Общий исток (рис. 15): наименьшее сопротивление в цепи истока, наилучшие широкополосные и высокочастотные свойства; недостаток – необходимость двух источников питания различной полярности, необходимость соблюдения определенной последовательности подачи напряжения питания (сначала подается напряжение отрицательной полярности на затвор, затем напряжение положительной полярности на сток), возможность пробоя при отсутствии напряжения отрицательной полярности.

2.Общий затвор, раздельное питание (рис. 16): необходимы два ис-

точника питания положительной полярности.

3.Общий затвор, автосмещение (рис. 17): один источник питания,

простота, удобство; недостаток – наличие сопротивления в цепи истока снижает КПД. Наиболее распространенная схема.

4.Общий сток, раздельное питание (рис. 18): необходимы два ис-

точника питания отрицательной полярности.

5.Общий сток, автосмещение (рис. 19).

15

Рис. 15. Схема включения ПТ по постоянному току с общим истоком

Рис. 16. Схема включения ПТ по постоянному току с общим затвором и раздельным питанием

Рис. 17. Схема включения ПТ по постоянному току с общим затвором и автосмещением

16