2.2. Извлечение параметров моделей.
После выбора материала для изготовления прибора, изготавливается тестовый транзистор. На этом этапе происходит извлечение транспортных характеристик, волновых и шумовых параметров транзисторов. Извлечение параметров моделей производиться с помощью измерений s-параметров, шумовых параметров, С-V,I-V-характеристик тестового транзистора.
2.2. 1. Измерение волновых параметров тестового устройства.
Наиболее распространенным методом измерения s-параметров тестового транзистора, является метод измерения на пластине, или зондовый метод. Достоинствами данного метода являются возможность быстрого, неразрушающего измерения волновых параметров АЭ.
Стенд для измерения s-параметров обычно включает в себя векторный анализатор цепей, СВЧ-зонд, источник питания и др. Чтобы учесть воздействие измерительной системы на результат измерений, необходимо производить калибровку стенда. Для этого в комплекте с измерительным оборудованием или отдельно приобретается специальная калибровочная пластина,ISS-impedancestandardsubstrate, на которой расположены различные калибровочные меры. Во время калибровки стенда происходит измерениеs-параметров таких калибровочных мер как «короткое замыкание», «холостой ход», задержка и т.п. В основе калибровочных методов отражение известного сигнала от нагрузки с известными параметрами: коэффициент отражения, электрическая длина, задержка и т.п. После калибровки прибор может вычислить расположение референсных плоскостей (плоскость отсчета фазы) и таким образом измеритьs-параметры устройства. Популярными являются следующие методы калибровкиSOLT(short-open-load-thru),TRL(thru-reflect-line) иLRM(line-reflect-match).
SOLT(short-open-load-thru) калибровочный метод, нашедший широкое применение на частотах ниже 15 ГГц. [Fun] Однако на частотах свыше 15 ГГц на сигнал, отразившийся от нагрузки типа «холостой ход», сильное влияние оказывает емкость пробника, так как на калибровочных пластинах «холостой ход» реализуется поднятием СВЧ-пробника над пластиной. Зависимость этой емкости от частоты сложно выявить, поэтому она будет вносить погрешность в измерения. На сигнал от нагрузки «короткое замыкание» влияет индуктивность, которую также проблематично определить и измерить. Таким образом, метод требует прецизионного СВЧ оборудования.
Рис. 10. Калибровочные меры для метода SOLTа) «холостой ход»,b) «короткое замыкание», с) нагрузка,d) отрезок линии.[Fun]
Достоинством метода TRL(thru-reflect-line) является минимальное требуемое количество калибровочных мер: несколько линий задержки, ЛП (линия передач), две или более одинаковых по длине линии с высоким коэффициентом отражения. Недостатком метода является невозможность проведения измерений в широком диапазоне частот на одной и той же линии задержки. Электрическая длина линии должна быть между 20° и 160° во время измерений (диапазон частот 8:1). Поэтому, для измерения, например в диапазоне частот 0,5-18 ГГц потребуется 3 различных линии.
Рис. 11. Калибровочные меры для метода TRLа) ЛП,b) задержка,c) отражение,d) измеряемое устройство, заземляющие плоскости подведены с обратной стороны через отверстия.[Fun]
Для метода LRM(line-reflect-match) требуется наличие нагрузки, очень хорошо согласованной с тестируемым устройством. При этом измерения могут быть проведены в широком диапазоне частот. Однако если согласование недостаточно обеспечено, появится неточность в измерениях.
Следовательно, выбор того или иного калибровочного метода, определяется измерительным оборудованием, которое может себе позволить разработчик.
Кроме того, для измерения волновых параметров транзистора, должна быть проведена специальная процедура деембединга. Эта процедура позволяет учесть влияние контактных площадок на волновые параметры транзистора и исключить его. Для этой цели на пластине с тестовым устройством могут быть созданы специальные структуры.
После измерения s-параметров возможно преобразование их в другие наборы матричных параметров, для последующего включения в аналитические модели, а также использование их в качестве данных для бесструктурных (на основе измерений) моделей.
2.2.2. Измерение шумовых параметров.
Измерение шумов может проводиться несколькими методами. В общем случае стенд для измерения шумов включает в себя стенд с СВЧ-зондом, векторный анализатор или ваттметр. Чаще всего измеряемым параметром является коэффициент шума в зависимости либо от частоты, либо от входного импеданса.
Существует несколько методов измерения шума, один из наиболее старых – это метод с использованием генератора сигналов.Стенд для этого метод включает в себя генератор сигналов и ваттметр или векторный анализатор. На вход устройства подключается генератор, сигнал с выхода подается на детектор мощности.
Порядок измерений следующий: вначале мощность измеряется с выключенным генератором. При этом предполагается, что в помещении комнатная температура – 290 К. Тогда измеренная на первом этапе мощность P1=k·T0·B·G+NA, [СБе08] здесьG– коэффициент усиления измеряемого устройства,NA– его мощность шума.
Следующий этап, это включение генератора на заданной частоте. После включения генератора выходной сигнал регулируется таким образом, чтобы выходная мощность P2стала на 3 дБ (~2 раза) выше, чемP1. Тогда мощностьP2=2(k·T0·B·G+NA)=PГЕНG+k·T0·B·G+NA,[СБе08] левая часть включает в себя усиленную мощность генератора, усиленный шум, собственный шум устройства. Отсюда получаем, чтоNA=PГЕНG-k·T0·B·G. Так какF=1+NA/G∙k∙T∙B, то в данном случаеF=PГЕН/k·T0·B.
Достоинством данного метода является его простота (не нужен источник шумов с калиброванным ENR(T0/Te)). Однако вследствие простоты метода, на точность измерений будут влиять множество факторов. Во-первых, температура в помещении должна оставаться постоянной и равной 290 К, иначе появится систематическая погрешность. Во вторых, полоса измерительного устройства должна быть известна, кроме того необходимо устройство, измеряющее истинную мощность, состоящую из шума и мощности генератора на заданной частоте, при этом может потребоваться дополнительный усилитель, фильтр для получения нужной АЧХ детектора мощности.
Метод холодного источника.
В этом методе необходимо знать коэффициент усиления устройства. Введем (шум-фактор ) NF=10log10(F)= 10log10(G∙k∙T∙B+NA/G∙k∙T∙B)=POUTдБм-(-174+log10(B/1 Гц)+G)дБм, гдеPOUTдБм- мощность на выходе измеряемого устройства в дБ относительно 1 мВт,B/1 Гц – отношение полосы измерения к 1 Гц,G– коэффициент усиления измеряемого устройства в дБ, 174 дБм – это предполагаемая мощность при температуре 290 К, генерируемая нагрузкой в 50 Ом в полосе 1 Гц.[СБе08]. Таким образом, для получения значения КШ, необходимо знать мощность на выходе устройства и коэффициент усиления устройства. Коэффициент усиления можно измерить отдельно, после чего на вход устройства подключают согласованную нагрузку, а на выход векторный анализатор. Достоинством данного метода является возможность измерения на любых частотах. Однако,POUTдБм=-174+NF+G, при этом лучшие анализаторы имеют собственный порог шумов (-150….-155) дБм на частотах 3-6 ГГц. То есть для измерения КШ,NF+Gдолжна составлять не менее 24 дБ.[СБе08]
Метод Y фактора без коррекции.
Как следует из названия, метод основан на измерении Yфактора, или отношении мощностей. Если мы проведем измерения мощности шума при температуреT0, а затем при температуреTHOT=T0+TEX, то соотношение мощностейP1/P2называютY-фактором,Y=[k(T0+TEX)B×G+NA]/(k×T0×B×G+NA) =(TEX+F×T0)/(F×T0), причем вводится понятиеENR(excessnoiseratio)=TEX/T0. Для измерения КШ методомYфактора необходимо иметь источник шума с калиброваннымENR. Также необходим источник питания и анализатор спектра, желательно с предварительным усилением. Порядок измерений следующий: вначале при выключенном источнике шума (без питания) измеряется мощность шума на выходе измеряемого устройства, это будет измерение при температуреT0. Затем измеряем ту же мощность с включенным питанием (измерение при температуреTHOT). Получаем значениеYфактора. После чего по калибровочной таблице источника определяемENRдля частоты, на которой проводилось измерение. Здесь, как и в предыдущих методах шум измерительной системы не отделяется от шума устройства.
Метод Y фактора с коррекцией второго каскада
Этот метод позволяет исключить шум измерительной системы, он используется для измерения КШ устройств с низким коэффициентом усиления и включает в себя процесс калибровки измерительной системы. Во время измерений специализированные анализаторы оперируют понятием температуры шума, переход к КШ производиться в конце измерений. Калибровка производиться без измеряемого устройства, источник шума с калиброванным ENRподключают к анализатору, в анализатор шума вводят таблицуENRв нужных точках частотного диапазона. Этот этап может быть автоматизирован. Затем включается и выключается источник шума для измерения мощностейP2ON иP2OFF, так как мощность шума прямо пропорциональна температуре шума, то можно записатьY1=P2ON /P2OFF=TON/TOFF. Если собственная температура шума анализатора (второй каскад) равняетсяT2, тоY2=P2ON /P2OFF=TSON+T2/TSOFF+T2, откудаT2=(TSON-Y2×TSOFF)/(Y2-1), здесьTSOFF-физическая температура источника,TSONвычисляется изENRпрописанного производителем по формулеENR=10log10[(TSON-TSOFF)/T0]. В конце калибровки прибор сохраняет измеренные значенияP2ON иP2OFFи вычисляетY2иT2.
Рис. 12 Схема измерений с коррекцией второго каскада.
Затем между источником и анализатором шума вставляется прибор, теперь система состоит из 2 каскадов. Снова производиться измерение мощности PON POFF,Yфактор системы теперь равняетсяY12=P12ON/P12ON, знаяYфактор системы, можно вычислить эквивалентную температуру шума системы T12=(TSON-Y12×TSOFF)/(1-Y12), откуда получаемG=(P12ON-P12OFF)/(P2ON-P2OFF), тогда температура первого каскада согласно выражению Харальда Фриса (F12=F1+(F2-1)/G)T1=T12-T2/G.[СБе08]