1. 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, который компенсирует потери в тракте. В МИС нет возможности подстройки схемы для корректировки АЧХ, поэтому один из способов уменьшения неравномерности КУ или получение положительного наклона АЧХ это использование корректоров, которые обеспечат требуемые параметры амплитудно-частотной характеристики.

В данной работе представлен пример корректировки АЧХ на основе МИС усилителей с распределенным усилением.

2. 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.

 

Рис. 1. Удельные ВАХ, сток-затворная характеристика и профиль крутизны E—pHEMTтранзистора

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 либо изменением количества транзисторов, либо изменением ширины затвора каждого транзистора.

Разработанные топологии усилителей представлены на рис. 2.:
а) топология усилителя с пятью транзисторами (4 пальца по 30 мкм) с общей шириной затворов 600 мкм; б) топология усилителя с тремя транзисторами (4 пальца по 30 мкм) и общей шириной затворов 360 мкм. Для питания усилителей необходимо одно напряжение питания +5 В.

a)

б)

                                                    Рис. 2. Микрофотографии топологий МИС усилителей

3. Моделирование и экспериментальные результаты

Моделирование проводили с использованием САПР AdvancedDesignSystem. Измерения МИС усилителей проводили на пластине, на зондовой станции SUMMITT 12000B и векторном анализаторе цепей N5244A.

На рис.3 (а) представлена амплитудно-частотная характеристика МИС усилителя с общей шириной затворов 600 мкм, неравномерность КУ составляет 2,3 дБ, АЧХ имеет отрицательный наклон.

 

 

 

 

Рис. 3. АЧХ МИС усилителей (сплошная — моделирование,пунктирная — измерения)

 

Для уменьшения неравномерности КУ готового устройства необходимо включить каскадно усилитель-корректор с положительным наклоном КУ. Положительный наклон, достигнут уменьшением количества транзисторов до трех. На рис.3 (б) 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.3 (в), неравномерность КУ составила 1,4 дБ.

Возвратные потери по входу и выходу для всех топологий находятся ниже -10 дБ. На рис.4 представлены экспериментальные характеристики каскадного включения МИС с общей шириной затворов 360 мкм 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.

 

Рис. 4. Измеренные АЧХ из каскадно соединённых МИС усилителей

 

Было проведен анализ зависимости наклона АЧХ от общей ширины затворов для схемы с пятью транзисторами. Результат моделирования представлен на рис.5.

 

Рис. 5. АЧХ 5-ти транзисторного усилителя с различной общей шириной затворов

 

4. 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.

 

Список литературы

[1]А.В. Крутов, Н.А. Кувшинова, А.С. Ребров. Малошумящие GaAs PHEMT транзисторы с нулевым смещением на затворе.//Электроника и Микроэлектроника СВЧ. IV Всероссийская научно-техническая конференция. Санкт-Петербург. 2015. С. 90-94.