eng
Выпуск #9/2018
Аболдуев Игорь Михайлович, Валамин Евгений Александрович, Дорофеев Алексей Анатольевич, Зубков А. М., Миннебаев Станислав Вадимович, Царёв Александр Владимирович, Кулиев М. В.
Генераторы, управляемые напряжением, на GaN тразисторах
Генераторы, управляемые напряжением, на GaN тразисторах
Просмотры: 2827
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.500.504
Генераторы СВЧ синусоидального сигнала являются составной частью многих микроволновых систем, таких как радары, радиолинии связи, средства навигации и т. п.
Основными характеристиками для генераторов, управляемых напряжением, являются:
1. Выходная мощность.
2. Диапазон перестройки.
3. Линейность перестройки.
4. Уровень фазовых шумов.
В зависимости от функционального назначения, генераторы могут иметь высокую выходную мощность, низкий фазовый шум и широкий диапазон перестройки частоты.
В рамках данной работы спроектированы следующие генераторы, управляемые напряжением:
1. ГУН в диапазоне частот 50–1000 МГц по типовой топологии (рис. 1, 2).
2. ГУН в гибридном исполнении с диапазоном перестройки 2–4 ГГц (рис. 3, 4).
3. Вариант ГУН в монолитном исполнении с диапазоном перестройки 8–12,5 ГГц (рис. 5, 6).
Особенностью спроектированных генераторов является то, что в качестве активного прибора в ГУН был выбран GaN транзистор с шириной затвора 250 мкм.
Использование GaN транзистора как активного прибора в генераторах является одним из развивающихся направлений в полупроводниковой электронике. В табл. 1 приведено сравнение характеристик стабилизированных генераторов, выполненных по различным схемам. В табл. 2 приведено сравнение характеристик ГУН на основе GaN HEMT, GaAs pHEMT и HBT. Видно, что генераторы на основе гетероструктур типа AlGaN/GaN превосходят аналоги на AlGaAs/GaAs не только по выходной мощности, что является типичным при сравнении двух данных технологий, но и по значениям спектральной плотности фазовых шумов.
Уровень фазовых шумов генератора является одной из важнейших его характеристик. Как известно, на уровень фазовых шумов влияют не только добротность используемого резонатора и пассивных элементов, но и сам активный элемент генератора [14]. В рамках данной работы было проведено исследование влияния конструкции транзистора на фазовые шумы прибора. Для этого были измерены зависимости СПФШ генераторов от частоты отстройки в диапазоне от 100 Гц до 100 кГц. Ниже приведены зависимости СПФШ генераторов на основе трех различных по конструкции типов транзисторов:
1. Транзистор с полевым электродом и сквозными отверстиями истока вблизи затвора (рис. 7).
2. Транзистор с полевым электродом и сквозными отверстиями истока, вынесенными на периферию транзистора (рис. 8).
3. Транзистор без полевого электрода и со сквозными отверстиями истока, вынесенными на периферию транзистора (рис. 9).
Из приведенных зависимостей видно, что конструкция транзистора оказывает сильное влияние на уровень фазовых шумов прибора, что, несомненно, требует дальнейшего изучения.
Помимо конструктивного исполнения транзисторов, на уровень фазовых шумов влияет качество используемых полупроводников и диэлектриков и технология изготовления приборов.
В рамках данной работы, по спроектированным топологиям, был изготовлен макетный образец ГУН для диапазона частот 70,80 МГц с GaN транзистором (рис. 10). По результатам измерений получено совпадение с результатами проектирования в пределах погрешности 10 %. На рис. 11 приведены значения фазовых шумов данного генератора. Видно, что уровень шумов при отстройке 100 кГц находится на уровне зарубежных аналогов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Maree J., J. B. de Swardt, and P. W. van der Walt. “Low Phase Noise Cylindrical Cavity Oscillator”, in IEEE AFRICON, 2013, pp. 1–5.
2. P. Rice, et al. “A 10GHz Dielectric Resonator Oscillator Using GaN Technology”, in IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., Fort Worth, TX, USA, 2004, pp. 1497–1500.
3. Florian C., Traverso P. A., Vannini G., and Filicori F. “Design of Low Phase Noise Dielectric Resonator Oscillators with GaInP HBT Devices Exploiting a Non-Linear Noise Model”, in IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., Honolulu, HI, USA, 2007, pp. 1525–1528.
4. Mikael Hörberg, Thomas Emanuelsson, Szhau Lai, Thi Ngoc Do Thanh, Herbert Zirath and Dan Kuylenstierna. “Phase-Noise Analysis of an X-Band Ultra-Low Phase-Noise GaN HEMT Based Cavity Oscillator” IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, Vol. 63, № 8, AUGUST 2015.
5. Zirath H., Kozhuharov R., Ferndahl M. “Balanced Colpits-Oscillator MMICs Designed for Ultra-Low Phase Noise”, IEEE J. Solid-State Circuits, 2005, 40 (10), pp. 2077–2086.
6. Kuylenstierna D., Lai S., Bao M., Zirath H. “Design of Low Phase-Noise Oscillators and Wideband VCOs in InGaP HBT Technology”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2012, 60, (11), pp. 3420–3430.
7. Fard A., Andreani P. “An Analysis of 1/f2 Phase Noise in Bipolar Colpitts Oscillators (with a Digression on Bipolar Differential-Pair LC Oscillators)”, IEEE J. Solid-State Circuits, 2007, 42, (2), pp. 374–384.
8. Jacobsson H., Gevorgian S., Mokhtari M., et al.: “Low-Phase-Noise Low Power IC VCOs for 5–8-GHz Wireless Applications”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2000, 48, (12), pp. 2533–2539.
9. Shealy J. B., Smart J. A., Shealy J. R. “Low-Phase Noise AlGaN/GaN FET-based Voltage-Controlled Oscillators (VCOs)”, IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., 2001, 11, (6), pp. 244–245.
10. Kaper V. S., Tilak V., Kim H., et al.: “High-Power Monolithic AlGaN/GaN HEMT Oscillator”, IEEE J. Solid-State Circuits, 2003, 38, (9), pp. 1457–1461.
11. Xu H., Sanabria C., Pervez N. K., Keller S., Mishra U. K., York R. A. “Low Phase-Noise 5GHz AlGaN/GaN HEMT Oscillator Integrated with BaxSr1-xTiO3”.
12. Kong C., Li H., Chen X., Jiang S., Zhou J., Chen C. “A Monolithic AlGaN/GaN HEMT VCO Using BST Thin-Film Varactor”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2012, 60, (11), pp. 3413–3419.
13. Lai S., Kuylenstiema D., Horberg M., Rorsman N. “Accurate Phase-Noise Prediction for a Balanced Colpitts GaN HEMT MMIC Oscillator”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2013, 61, (11), pp. 3916–3926.
14. Guillermo Gonzales. “Foundation of Oscillator Circuit Design” ARTECH HOUSE INC., Norwood, MA 02063 2007.
Основными характеристиками для генераторов, управляемых напряжением, являются:
1. Выходная мощность.
2. Диапазон перестройки.
3. Линейность перестройки.
4. Уровень фазовых шумов.
В зависимости от функционального назначения, генераторы могут иметь высокую выходную мощность, низкий фазовый шум и широкий диапазон перестройки частоты.
В рамках данной работы спроектированы следующие генераторы, управляемые напряжением:
1. ГУН в диапазоне частот 50–1000 МГц по типовой топологии (рис. 1, 2).
2. ГУН в гибридном исполнении с диапазоном перестройки 2–4 ГГц (рис. 3, 4).
3. Вариант ГУН в монолитном исполнении с диапазоном перестройки 8–12,5 ГГц (рис. 5, 6).
Особенностью спроектированных генераторов является то, что в качестве активного прибора в ГУН был выбран GaN транзистор с шириной затвора 250 мкм.
Использование GaN транзистора как активного прибора в генераторах является одним из развивающихся направлений в полупроводниковой электронике. В табл. 1 приведено сравнение характеристик стабилизированных генераторов, выполненных по различным схемам. В табл. 2 приведено сравнение характеристик ГУН на основе GaN HEMT, GaAs pHEMT и HBT. Видно, что генераторы на основе гетероструктур типа AlGaN/GaN превосходят аналоги на AlGaAs/GaAs не только по выходной мощности, что является типичным при сравнении двух данных технологий, но и по значениям спектральной плотности фазовых шумов.
Уровень фазовых шумов генератора является одной из важнейших его характеристик. Как известно, на уровень фазовых шумов влияют не только добротность используемого резонатора и пассивных элементов, но и сам активный элемент генератора [14]. В рамках данной работы было проведено исследование влияния конструкции транзистора на фазовые шумы прибора. Для этого были измерены зависимости СПФШ генераторов от частоты отстройки в диапазоне от 100 Гц до 100 кГц. Ниже приведены зависимости СПФШ генераторов на основе трех различных по конструкции типов транзисторов:
1. Транзистор с полевым электродом и сквозными отверстиями истока вблизи затвора (рис. 7).
2. Транзистор с полевым электродом и сквозными отверстиями истока, вынесенными на периферию транзистора (рис. 8).
3. Транзистор без полевого электрода и со сквозными отверстиями истока, вынесенными на периферию транзистора (рис. 9).
Из приведенных зависимостей видно, что конструкция транзистора оказывает сильное влияние на уровень фазовых шумов прибора, что, несомненно, требует дальнейшего изучения.
Помимо конструктивного исполнения транзисторов, на уровень фазовых шумов влияет качество используемых полупроводников и диэлектриков и технология изготовления приборов.
В рамках данной работы, по спроектированным топологиям, был изготовлен макетный образец ГУН для диапазона частот 70,80 МГц с GaN транзистором (рис. 10). По результатам измерений получено совпадение с результатами проектирования в пределах погрешности 10 %. На рис. 11 приведены значения фазовых шумов данного генератора. Видно, что уровень шумов при отстройке 100 кГц находится на уровне зарубежных аналогов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Maree J., J. B. de Swardt, and P. W. van der Walt. “Low Phase Noise Cylindrical Cavity Oscillator”, in IEEE AFRICON, 2013, pp. 1–5.
2. P. Rice, et al. “A 10GHz Dielectric Resonator Oscillator Using GaN Technology”, in IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., Fort Worth, TX, USA, 2004, pp. 1497–1500.
3. Florian C., Traverso P. A., Vannini G., and Filicori F. “Design of Low Phase Noise Dielectric Resonator Oscillators with GaInP HBT Devices Exploiting a Non-Linear Noise Model”, in IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., Honolulu, HI, USA, 2007, pp. 1525–1528.
4. Mikael Hörberg, Thomas Emanuelsson, Szhau Lai, Thi Ngoc Do Thanh, Herbert Zirath and Dan Kuylenstierna. “Phase-Noise Analysis of an X-Band Ultra-Low Phase-Noise GaN HEMT Based Cavity Oscillator” IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, Vol. 63, № 8, AUGUST 2015.
5. Zirath H., Kozhuharov R., Ferndahl M. “Balanced Colpits-Oscillator MMICs Designed for Ultra-Low Phase Noise”, IEEE J. Solid-State Circuits, 2005, 40 (10), pp. 2077–2086.
6. Kuylenstierna D., Lai S., Bao M., Zirath H. “Design of Low Phase-Noise Oscillators and Wideband VCOs in InGaP HBT Technology”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2012, 60, (11), pp. 3420–3430.
7. Fard A., Andreani P. “An Analysis of 1/f2 Phase Noise in Bipolar Colpitts Oscillators (with a Digression on Bipolar Differential-Pair LC Oscillators)”, IEEE J. Solid-State Circuits, 2007, 42, (2), pp. 374–384.
8. Jacobsson H., Gevorgian S., Mokhtari M., et al.: “Low-Phase-Noise Low Power IC VCOs for 5–8-GHz Wireless Applications”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2000, 48, (12), pp. 2533–2539.
9. Shealy J. B., Smart J. A., Shealy J. R. “Low-Phase Noise AlGaN/GaN FET-based Voltage-Controlled Oscillators (VCOs)”, IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., 2001, 11, (6), pp. 244–245.
10. Kaper V. S., Tilak V., Kim H., et al.: “High-Power Monolithic AlGaN/GaN HEMT Oscillator”, IEEE J. Solid-State Circuits, 2003, 38, (9), pp. 1457–1461.
11. Xu H., Sanabria C., Pervez N. K., Keller S., Mishra U. K., York R. A. “Low Phase-Noise 5GHz AlGaN/GaN HEMT Oscillator Integrated with BaxSr1-xTiO3”.
12. Kong C., Li H., Chen X., Jiang S., Zhou J., Chen C. “A Monolithic AlGaN/GaN HEMT VCO Using BST Thin-Film Varactor”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2012, 60, (11), pp. 3413–3419.
13. Lai S., Kuylenstiema D., Horberg M., Rorsman N. “Accurate Phase-Noise Prediction for a Balanced Colpitts GaN HEMT MMIC Oscillator”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2013, 61, (11), pp. 3916–3926.
14. Guillermo Gonzales. “Foundation of Oscillator Circuit Design” ARTECH HOUSE INC., Norwood, MA 02063 2007.
Отзывы читателей
