Данилов В.С. Микроэлектроника СВЧ

зистора, включенного диодом, некоторого коллекторного тока, протекающего через эмиттерно-базовый переход второго транзистора.

Если оба транзистора идентичны по геометрии, то коллекторный ток I основного рабочего транзистора может быть задан однозначно (по закону Ома) путем выбора номинала резистора R1 и питающего напряжения Uп (рис. 8.1).

Эксперимент показывает, что эта схема смещения дает стабильный ток в широком диапазоне температур, причем коллекторные токи смещающего Т1 и усиливающего Т2 транзисторов, как правило, не отличаются друг от друга более чем на 5 % даже при больших рассеиваемых мощностях.

Наиболее часто применяемая конфигурация схемы смещения представлена на рис. 8.2. Если R3 и R4, а также Т1 и Т2 идентичны по параметрам, коллекторные токи обоих транзисторов должны быть равны, так как их базовые токи определяются одинаковыми резисторами и общим питающим напряжением. Коллекторный ток транзистора Т1 можно выразить как

Ik1 Uп Uеb , R1

где Ik1 – ток коллектора T1, равный Ik 2 ; Uеb – напряжение эмиттер –

база, у транзисторов эти напряжения равны в силу их идентичности. Поскольку Uеb << Uп , уравнение упрощается:

рабочую точку. На его режим не влияют изменения питающего напряжения и температуры, напряжение в рабочей точке зависит лишь от точности взаимного согласования компонентов в твердотельной схеме.

В простейшем усилителе с использованием балансной схемы смещения применяют резисторы в цепях эмиттеров для увеличения входного сопротивления, каскодное включение транзисторов с целью максимального уменьшения выходной емкости, а также выходной эмиттерный повторитель для снижения выходного сопротивления.

Генератор стабильного тока. Для интегральных схем построение генераторов стабильного тока микроамперного уровня затруднительно,

эмиттер – база этих двух транзисторов:

Общее выходное сопротивление данного генератора тока рассчитывается по формуле

Если проанализировать формулу получения R2, то выясняется одно из интересных преимуществ этой схемы – выходной ток ее Ik2 меняется пропорционально логарифму изменения питающего напряжения. Поэтому если генератор тока применен как схема смещения входного каскада усилителя, то рабочий ток в каскаде, коэффициент усиления по напряжению должны мало меняться при значительных изменениях питающих напряжений.

Если в цепь эмиттера T1 проставлен резистор, равный резистору R2, то схема имеет название «токовое зеркало»; наиболее часто она применима в интегральных схемах любых назначений.

Схема сдвига уровня. В интегральных схемах часто требуются различные формы сдвига сигнала по постоянному уровню. При создании схем по гибридной технологии этого можно достичь применением

телем, а сдвиг уровня сигнала определяется падением напряжения на

8.2.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СВЧ-ДИАПАЗОНА НА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ

Технология создания монолитных интегральных схем СВЧ-диапа- зона на арсениде галлия включает в себя различные аспекты формирования исходных полупроводниковых материалов и приборных структур, схемотехнику интегральных схем, эффекты, связанные с существованием СВЧ-полей и распространением СВЧ-сигналов. Многосторонний характер современной технологии создания интегральных схем определяет то, что при кратком анализе удается лишь самое общее рассмотрение важнейших аспектов. Особенностью технологии изготовления интегральных схем этого типа является изготовление на подложке из полуизолирующего арсенида галлия активных и пассивных элементов схемы. Наиболее распространенными типами активных элементов являются полевые транзисторы и диоды Шоттки.

Перестраиваемые элементы могут быть реализованы с распределенными или сосредоточенными параметрами. Резисторы изготавливаются с использованием легирования необходимых областей подложки или по тонкопленочной технологии. Конденсаторы выполняются на основе либо структур металл – диэлектрик – металл (МДМ), либо встречноштыревых структур. На рис. 8.6 показан наиболее распространенный тип монолитной интегральной схемы.

Активные элементы создаются на лицевой поверхности кристалла, затем выполняются соединения с соответствующими элементами СВЧ-схемы, сформированными по мере завершения технологического цикла [8].

В интегральной схеме, показанной на рис. 8.6, при изготовлении полевого транзистора для формирования активных областей n-типа, областей омических контактов n+-типа и некоторых резисторов применяют селективную ионную имплантацию. В качестве индуктивностей используют спиралевидные высокоимпедансные передающие линии. Небольшие перестраиваемые конденсаторы на МДМ-струк- туре формируют с использованием металлизации первого и второго уровней, разделенных слоем диэлектрика из нитрида кремния. Применяются также пересечения с воздушным зазором между проводниками и тонкопленочные напыляемые резисторы. Металлизацию второго уровня покрывают пленкой золота толщиной 2...3 мкм для

димое для разработки конкретной интегральной схемы, составляет от 12 до 20 месяцев в зависимости от сложности схемы. Параметры схемы зависят при этом от параметров активных элементов и в значительной степени определяются особенностями, заложенными в интегральной схеме при ее разработке. Частичные переделки для компенсации отклонений в технологии и вариаций параметров очень сложны в приборах с малыми размерами элементов и оправданны лишь в специальных случаях. По этой причине требуется исключительно тщательное моделирование работы как активных, так и пассивных элементов схемы, а также учет влияния паразитных элементов и связей. Моделирование производят на ЭВМ. Типичный комплект фотошаблонов содержит 8...11 штук общей стоимостью 15...20 тыс. долларов. Из-за исключительно малых размеров реактивных элементов интегральной схемы энергия, накапливаемая в электромагнитном поле, оказывается небольшой, что не позволяет достичь высоких значений добротности Q таких элементов.

Функционально твердотельные СВЧ-схемы на арсениде галлия классифицируются обычно по следующим типам.

Узлы схемы:

–усилители широкополосные, малошумящие, средней мощности

ит.д.;

–смесители на полевых транзисторах из арсенида галлия и на диодах Шоттки;

–генераторы, управляемые напряжением;

–многоразрядные фазовращатели;

–переключатели прием-передача.

Функциональные блоки:

– интегральные входные каскады приемников;

–синтезаторы частоты;

–схемы модулятор-демодулятор;

–приемники миллиметрового диапазона;

–приемники связные.

Многофункциональные подсистемы:

–цифровые приемопередатчики радиодиапазона;

–переключатели прием-передача для радаров с антенными фазированными решетками;

–интегральные приемники с обработкой сигнала;

–адаптивные модули решетки.

После определения всех значений элементов эквивалентной схемы возможно составление так называемого «схемного файла», который используется в машинных программах анализа работы схемы СВЧ в узловом формате. Такой способ анализа работы схемы более эффективен, чем способ, основанный на работе с файлом данных, содержащим измеренные S-параметры прибора на нескольких дискретных частотах.

Рис. 8.8. Эквивалентная схема полевого транзистора:

Rз, Rс, Rи – сопротивление затвора, стока и истока

Схемный файл имеет информацию о подключении и геометрических размерах каждого элемента эквивалентной схемы. Программа допускает подгонку вычисленных значений S-параметров для лучшего совпадения с экспериментально определенными величинами. После этого уточненная эквивалентная схема может быть использована при разработке схем, обладающих линейной частотной характеристикой в заданном диапазоне частот. Большое значение имеет знание выходных характеристик полевых транзисторов, измеренных на постоянном токе. По этим данным с достаточной точностью удается оценить величины паразитных сопротивлений, напряжения отсечки и даже эффективную длину затвора. Измерив дополнительно значения емкостей транзистора на низких частотах, можно определить практически все важные его параметры.

Выходные параметры транзистора связаны с основными сопротивлениями и емкостями следующими соотношениями:

Из параметров, определенных на низких частотах, можно найти и шумовые характеристики полевых транзисторов. Существуют четыре параметра, характеризующих шумовые свойства полевых транзисторов, работающих в усилительных схемах. К ним относятся минимальный коэффициент шума Fmin, шумовое сопротивление Rш и две составляющие оптимального импеданса в цепи истока – Rопт и Хопт. Все эти параметры связаны с геометрическими размерами элементов, составляющих эквивалентную схему прибора, – Rз, Rи, gm и либо Сз-и (емкость между затвором и истоком), либо геометрическими размерами l з (эффективная длина затвора), которые определяются из низкочастотных характеристик транзистора.

В рассматриваемой модели имеются также четыре подгоночных коэффициента, с помощью которых удается скомпенсировать различие в профилях легирования активных областей приборов. Шумовые параметры связаны следующим образом:

При моделировании работы пассивных элементов схемы следует не только учитывать геометрические размеры элементов, но и составлять соответствующую эквивалентную схему. Для расчета передающих микрополосковых линий необходимыми параметрами могут быть либо характеристический импеданс и эффективная диэлектрическая проницаемость, либо свойства материала подложки, а также эффективные длина и ширина линии. Для того чтобы полностью характеризовать индуктивные элементы с сосредоточенными параметрами, надо учитывать их геометрические параметры (число витков, ширину линии