Anonim

A tecnologia de nitreto de gálio (GaN) é muito adequada para a realização de amplificadores de potência de micro-ondas de estado sólido.

Os transistores de alta mobilidade eletrônica (HEMTs) fabricados nos processos GaN têm altas tensões de ruptura, podem ser influenciados por uma alta tensão operacional e apresentam altas densidades de potência (potência de saída de RF disponível por mm de largura da porta).

A maioria dos processos GaN MMIC disponíveis comercialmente usam bolachas de carboneto de silício (SiC), que têm muito boa condutividade térmica - cerca de 10 vezes a dos GaAs à temperatura ambiente.

Os transistores GaN também são capazes de operar de forma confiável a temperaturas de canal muito mais altas do que as do arseneto de gálio (GaA), tipicamente 225 ° C-275 ° C para GaN em comparação com 125 ° C-175 ° C para GaAs.

O Plextek RFI projetou recentemente um amplificador de potência GaN de 25W, banda X, usando o GaN de 0, 25μm disponível no processo SiC da WIN Semiconductor, com sede em Taiwan.

À medida que a periferia total da porta (largura da porta da unidade e / ou número de dedos da porta) de um transistor aumenta, a potência de saída de RF disponível também aumenta.

No entanto, isso faz com que os parasitas associados aumentem e o ganho de alta frequência seja reduzido.

03dec14PlextekFigure1 Os MMICs de amplificador de potência de microondas são, portanto, melhor realizados combinando vários transistores de uma geometria apropriada.

desenhar

Esse design combina oito transistores em seu estágio de saída, como pode ser visto no gráfico de layout (à direita).

O primeiro passo no processo de design foi selecionar o tamanho e a polarização do transistor.

Foi escolhido um layout de dispositivo com oito dedos de 120 µm, enviesado a uma tensão de fonte de dreno de + 28V (Vds) e uma corrente de fonte de dreno (Ids) de 100mA por mm de largura da porta.

Figura 2: Ganho máximo (Gmáx) e fator de estabilidade (K) versus frequência

Um gráfico do ganho máximo disponível (Gmáx) e do fator de estabilidade (K) versus a frequência desse transistor é mostrado na Figura 2. Isso mostra que esse dispositivo em particular é incondicionalmente estável em toda a banda X (8GHz a 12GHz), que é um recurso útil no processo de design.

O transistor possui um ganho máximo disponível superior a 17dB até 12GHz.

Na prática, as perdas de implementação de redes correspondentes, desvios e componentes de estabilização reduzirão os níveis práticos de ganho por estágio que podem ser alcançados, mas o ganho disponível ainda é alto em comparação com as tecnologias alternativas de transistor de estado sólido.

Simulação

Grandes simulações de sinal do transistor selecionado foram realizadas para avaliar seu desempenho de energia e otimizar o design da potência de saída de RF.

Uma simulação de carga e tração do dispositivo indicou que, quando acionado em uma impedância de carga de 16 + j27Ω (a 10GHz), seria capaz de fornecer uma potência máxima de 4, 3W de potência de saída de RF com 45% de eficiência adicionada (PAE ) O próximo estágio do processo de projeto foi prosseguir com o projeto de um amplificador de potência de estágio único usando esse transistor.

Isso formaria a base dos estágios combinados de potência necessários para fornecer os altos níveis de potência de saída desejados do IC completo.

O projeto inicial de estágio único usava uma rede de correspondência de saída passa baixa de dois pólos para combinar a saída do transistor com a impedância de carga ideal para a transferência máxima de potência.

Um circuito de correspondência de entrada também foi adicionado, juntamente com stubs de polarização, resistores de desacoplamento e estabilização.

O ganho de sinal pequeno do projeto de estágio único foi superior a 13dB, com uma capacidade de saída de RF de pouco menos de 4W na faixa de freqüência de 10GHz a 11, 5GHz.

Esse desempenho inclui os efeitos de todos os circuitos de correspondência e polarização.

Para um amplificador de potência MMIC, um estágio de saída contendo oito transistores combinados de energia é uma boa escolha em termos de compensação entre combinar perdas de rede, abordagens práticas de layout e atingir altos níveis de potência de saída.

A abordagem de projeto adotada foi o desenvolvimento de um projeto de dois transistores, com base no projeto de estágio único acima.

A partir disso, um projeto de quatro transistores foi desenvolvido combinando duas dessas redes e, finalmente, um projeto de oito transistores combinando duas das redes de quatro transistores.

Essa abordagem hierárquica resulta em um método comparativamente simples de produzir um design relativamente complexo.

Drivers

Após a conclusão do projeto básico do estágio de saída, o estágio do driver foi projetado.

A seleção de um tamanho apropriado (periferia de porta) para o estágio do driver é crítica.

Os transistores GaN têm uma característica de compressão suave e, se o estágio do driver for muito pequeno, o amplificador precisará ser conduzido a níveis muito altos de compressão para atingir os níveis de potência de saída desejados. Por outro lado, se o estágio do driver for muito grande, o PAE sofrerá.

Para esse projeto, foi selecionado um estágio de quatro transistores, que foi baseado no projeto de quatro transistores produzido durante o desenvolvimento do estágio de saída.

O ganho disponível dos transistores GaN é bastante alto na banda X, e o ganho em cascata dos dois estágios é superior a 25dB.

A adição de um terceiro estágio resultaria em pequenos níveis de ganho de sinal próximos de 40dB, que eram considerados altos demais para um único MMIC na banda X.

Layout

Deve-se tomar cuidado durante o design e o layout dos MMICs de amplificador de alta potência para garantir que as faixas e as conexões planejadas dos fios de ligação tenham capacidade de transporte de corrente adequada ao operar sob um grande drive de sinal.

Para um PA grande, como o mostrado à esquerda, muitas vezes é necessário que o estágio de saída tenha o viés de CC aplicado de ambos os lados da matriz.

Além de garantir a estabilidade dentro da banda, a estabilidade fora da banda também deve ser considerada, principalmente em baixas frequências, onde os transistores GaN têm níveis muito altos de ganho disponível.

As redes RC no chip nos pontos de viés do gate e do dreno foram incluídas para fornecer perdas adicionais em baixas frequências e garantir estabilidade abaixo de 100MHz.

O desacoplamento fora do chip pode ser usado para fornecer amortecimento em frequências mais baixas.

Com vários transistores combinados de potência, a estabilidade do circuito deve ser considerada e os resistores de balanceamento apropriados devem ser incluídos para suprimir qualquer tendência à oscilação no modo ímpar. Eles podem ser facilmente integrados a um MMIC personalizado.

Embora os transistores GaN sejam capazes de suportar altas temperaturas de operação, o design térmico de um amplificador de potência GaN não pode ser negligenciado.

A alta condutividade térmica do substrato SiC é certamente uma vantagem a esse respeito, mas é reduzida significativamente com o aumento da temperatura - o valor a 150 ° C é metade do valor à temperatura ambiente. Isso significa que a impedância térmica dos MMNs GaN varia com a temperatura da placa de base.

03dec14PlextekFigure3

Figura 3: O desempenho final de pequenos sinais do amplificador completo de dois estágios

É de responsabilidade do projetista garantir que a temperatura de junção dos transistores seja aceitável na temperatura operacional máxima especificada.

O desempenho final de pequenos sinais do amplificador completo de dois estágios é apresentado na Figura 3.

Um pequeno ganho de sinal acima de 26dB foi alcançado de 10GHz a 12GHz, com um ganho positivo suave versus inclinação de frequência.

A Figura 4 mostra a potência de saída saturada (na compressão de 6dB) e o PAE. Uma potência de saída de 25W com um PAE superior a 33% foi alcançada de 10GHz a 11, 5GHz.

Um nível de entrada de + 24dBm é suficiente para obter a saída de 25W.

Figura 4: a potência de saída saturada (na compressão de 6dB) e a eficiência adicionada

A corrente de polarização DC quieta nominal do amplificador é 1.174A, o que equivale a cada um dos doze HEMTs sendo polarizados a 100mA por mm de largura da porta. Os transistores são de classe AB, e a corrente DC aumenta com o drive de RF atingindo 2, 75A no nível de saída de 25W RF.

O MMIC resultante inclui portas de RF de sinal de aterramento (GSG) para permitir testes de RF On Wafer (RFOW) na produção e desacoplamento no chip para garantir estabilidade incondicional.